بخشی از مقاله
چکیده
بررسی میکروکانالها بعنوان یکی از کاربردیترین ابزار انتقال سیالات درمقیاسهای میکرو و نانو از اهمیت بالایی برخوردار است. تفاوت بسیاری بین میکروکانالها و کانالهای معمولی وجود دارد. این تفاوتها عمدتا شامل اثرات کاهش جریانات ثانویه3، اثرات کاهش عددرینولدز - بهدلیل ابعاد کوچک آن - و افزایش چشمگیر ضریب انتقالحرارت است. درتحقیق پیشرو انتقالحرارت جابهجایی آب دریک کانالU شکل چرخان با قطر هیدرولیکی 150 میکرون به صورت عددی بررسی شده است.
به دلیل ابعاد کوچک کانال، رژیم جریان از نوع آرام است. در این پژوهش پارامترهایی نظیر عدد ناسلت موضعی و متوسط، دمای بالک سیال و افت فشار در طول میکروکانال تعیین شده است. در این تحقیق تاثیر سرعتهای دورانی مختلف مابین صفر تا مقدار 300 رادیان بر ثانیه و همچنین اعداد رینولدز مابین 200 تا 1000 بر بهبود انتقال حرارت و ضریب عملکرد حرارتی بررسی شده است. نتایج این پژوهش نشان داد که افزایش سرعت دورانی موجب بهبود عملکرد حرارتی میکروکانال علیرغم افزایش افت فشار میشود. همچنین نتایج نشان داد که افزایش عدد رینولدز منجر به افزایش شدید افت فشار و انتقالحرارت میکروکانال می-شود.
مقدمه
با رشد و توسعهی سریع علم و تکنولوژی، و همچنین نیاز مهندسی و صنعت، استفاده از مجاری با ابعاد کوچکتر و با عملکرد حرارتی بالا بویژه جهت خنکسازی وسایل و تجهیزات کوچک اهمیت بسیاری یافته است. از جمله کاربردهای وسایل کوچک میتوان به تجهیزات الکترونیکی نظیر میکروچیپها4 و قطعات کامپیوتر، مجاری کوچک خنکسازی دروسایلی چون توربین نیروگاهی، میکروپمپ5، میکرووالو6 و... اشاره کرد. نیاز به ابعاد بسیار کوچک در انتقالحرارت جابجایی به دلایلی همچون افزایش انتقالحرارت و اتلاف شارحرارتی در وسایل با ابعاد میکرو - افزایش ضریب انتقال-حرارت جابجایی - مرتبط است
با استفاده از میکروکانالها میتوان ظرفیتحرارتی و انتقالحرارت یک سیستم را بطور قابل توجهی افزایشداد. ضریب انتقال حرارت در میکروکانالها به میزان قابل توجهی - بین صدها تا هزاران برابر - افزایش مییابد.[1] یک راهنمای ساده برای تفکیک کانالها، دستهبندی آنها بر اساس قطر هیدرولیکی میباشد. کاندلیکار و گراند دستهبندی جدول1 را برای تفکیک کانالها ارائه کردند
جدول-1 دستهبندی کانالها بر اساس قطر هیدرولیکی
وجود این نیروها بر مطالعهی جریان و انتقالحرارت میکروکانال اثرگذار است که در این تحقیق درنظر گرفته شده است. تحقیقات تجربی و عددی جریان درون میکروکانال، درهندسه های مختلف کانال و همچنین نوع سیال کاری، در دههی اخیر مورد توجه قرارگرفته است.
کانیکزاده در سال 2013 به بررسی عددی انتقال-حرارت اجباری نانوسیالات درماکرو و مینیکانالU شکل چرخان - دوران حول محور عمود برجریان - و همراه با دندانه پرداخت .[3] او دربخشی از پژوهش خود با هدف جایگزینی مینیکانال با مقطع مستطیلی با نسبت منظری 10 و بدون دندانه برای اعداد رینولدز 500 تا 2000 بهجای یک ماکروکانال، بررسیهایی با استفاده از شرط عدم لغزش و عدم پرشدمایی مرزی انجام داد. نتایج او نشان داد که نیروی کریولیس در مینیکانال در مقایسه با ماکروکانال کاهش می یابد، که این کاهش در توزیع دما و تغییرات عدد ناسلت روی دو دیوار حمله و فرار بررسی شد.
او همچنین بیان داشت که کوچک شدن ابعاد مینیکانال نسبت به کانال ماکرو، افزایش عملکرد حرارتی میکروکانال با وجود افزایش نسبی افتفشار جریان را در بر خواهد داشت. بررسی تحقیقات گزارش شده نشان دادکه بجز مرجع 3 هیچ پژوهش مرتبط با میکروکانال U شکل چرخان گزارش نشده و تحقیقات موجود برای ماکروکانال U شکل چرخان که عمدتا جریان آن آشفته است ارائه شده است .[7-4] لذا در ادامه سعی شده انواع میکروکانال های دیگر که تا حدودی به کار حاضر نزدیک است مرور شود.
روی و آناند در سال2013 جریان آب و انتقالحرارت درون میکروکانالهای مستقیم، با مقطع مستطیلی و چرخان - دوران حول مقطع ورودی - را بررسی کردند.[8] آنها سیال مایع درون میکروکانال را تراکم ناپذیر و نیوتونی فرض کرده و حل عددی با اعمال شروط مرزی لغزشی و پرش دمایی انجام دادند. نتایج آنها نشان داد که با افزایش سرعت دورانی میکروکانال مستقیم، وافزایش جریانات ثانویهی القا شده ناشی از دوران و ایجاد نیروهای گریز از مرکز و کریولیس، عدد ناسلت موضعی و کل افزایش مییابد.
واریر و همکارانش در سال 2002 به بررسی تجربی انتقال حرارت و افت فشار جریان مایع تکفاز و دوفاز درون کانالهای باریک و با مقطع مستطیلی پرداختند.[9] نتایج آنها در بخش انتقال حرارت مایع تکفاز و تغییرات عدد ناسلت تطابق خوبی با مرجع [10] داشت.
با مطالعه و بررسی پژوهشهای مذکور و دیگر پژوهشهای صورت گرفتهی مرتبط میتوان دریافت که اکثر تحقیقات انجام شده در زمینهی کانال-هایU شکل درابعاد ماکرو میباشد. بررسی عملکرد حرارتی میکروکانال U شکل مذکور و مطالعه تاثیر پدیدههای مهمی همچون، اثرات چرخش میکروکانال و ایجاد نیروهای کریولیس و گریز از مرکز، و استفاده از سیال مایع - آب - تحت شرایط مرزی عدم لغزش، از اهداف این پژوهش است که تاکنون تحقیقی در این زمینه گزارش نشده است. هندسهی تحقیق حاضر میتواند امکان ورود و خروج جریان دریک صفحه - جریان رفت و برگشتی - را فراهم سازد. یکی از کاربردهای این شکل از میکروکانال، جایگزینی مجموعهی موازی آن در مجرای خنککاری پرهی توربین - ماکروکانال U شکل - با هدف افزایش انتقالحرارت میباشد.
تعریف مساله و معادلات حاکم
هدف تحقیق پیشرو بررسی عددی انتقالحرارت جریان درون یک میکروکانالU شکل سه بعدی با مقطع مربعی است که حول محور عمود بر جریان اصلی - محور - y در حال چرخش میباشد. شکل1 نمای سه بعدی از هندسهی تحت بررسی تحقیق پیشرو را نشان میدهد. هر ضلع مقطع کانال150 میکرون - Dh =D=150 P - و طول کل کانال 151,7 برابر قطر هیدرولیکی است . - S/Dh -
شکل-1 نمای سه بعدی میکروکانال U شکل چرخان - دوران حول محور s - y طول مسیر خط مرکزی جریان -
ورودی میکروکانال با مقطع مربعی دارای شرط سرعت و دمای ثابت 300 کلوین است. خروجی کانال تحت شرط فشار ثابت است وگرادیان دما در خروجی صفر در نظر گرفته شده است. همچنین دیوارههای میکروکانال دارای شرط عدملغزش و در دمای ثابت340 کلوین میباشند. دوران میکروکانال حول محور y و در محدودهی سرعتهای دورانی بین صفر تا 300 رادیان بر ثانیه است. بررسی پارامترهای مهمی چون دمای بالک سیال، تغییرات عدد ناسلت موضعی وکلی، و افت فشار جریان درطول میکروکانال از اهداف مهم این پژوهش است. همچنین جهت بررسی اثرات ترکیبی افت فشار و انتقال-حرارت از پارامتر ضریب عملکرد حرارتی استفاده شده است. عدد رینولدز در محدودهی جریان آرام و بین 200 تا 1000 میباشد.
معادلات ناویر استوکس دردستگاه چرخان شامل جملات کریولیس و گریز از مرکز بصورت زیر میباشد:
در این پژوهش عددی از روش حجم محدود1 توسط نرمافزار فلوئنت استفاده شده است. جهت گسستهسازی معادلات مومنتوم و انرژی روش اختلاف بالادست مرتبه دوم بکار گرفته شده است. همچنین برای ارتباط بین سرعت و فشار از الگوریتم سیمپل2 استفاده شده است.
محاسبهی دمای بی بعد سیال و عدد ناسلت موضعی درطول میکروکانال بصورت زیر صورت میگیرد:
ضریب جابجایی کل میکروکانال بر اساس کل انتقال حرارت و اختلاف دمای لگاریتمی بصورت زیر تعیین می شود: همچنین ضریب عملکرد حرارتی میکروکانال که امکان بررسی ترکیبی بهبود انتقالحرارت و افزایش افت فشار میکروکانال را فراهم میسازد بر اساس رابطه 4 تعیین می شود
