بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به بررسی ضریب انتقال حرارت جابجایی و ضریب اصطکاک سطحی دو نانوسیال آب - اکسید آلومینیوم و آب-اکسید مس در یک میلی لوله با سطح مقطع دایره ای به طول یک متر و قطرهای مختلف به صورت عددی پرداخته شده است. جریان مغشوش بوده است و معادلات حاکم - پیوستگی، مومنتوم و انرژی - به صورت عددی و به کمک الگوریتم سیمپل به وسیله نرم افزار فلوئنت حل شده است.
کسر حجمی نانوذرات از %1 تا %4 و رینولدز از 10000 تا 50000 و قطر از 2میلیمتر تا 10 میلیمتر تغییر می کند . نتایج نشان می دهد کهضریب انتقال حرارت جابجایی با افزایش کسر حجمی و عدد رینولدز افزایش و با افزایش قطر کاهش می باشد. و همچنین ضریب انتقال حرارت جابجایی و ضریب اصطکاک سطحی نانوسیال آب-اکسید آلومینیوم از نانوسیال آب- اکسید مس بیش تر می باشد .
واژه های کلیدی
انتقال حرارت، افت فشار، نانوسیال، تک فازی،
مقدمه
مبحث انرژی به عنوان یکی از مهم ترین بحث ها در جامعه بشری در پنجاه سال اخیر مطرح است. بیش از هفتاد درصد تمام گونه های انرژی که امروزه مصرف می شود به فرم انرژی های حرارتی هستند. در بسیاری از سیستم های صنعتی برای انتقال انرژی در سیستم باید فرآیند انتقال حرارت انجام شود. با توجه به رشد سریع نیاز به انرژی در سرتاسر جهان، بهبود فرآیند انتقال حرارت از وظایف بسیار مهم مهندسان در این زمینه است.
خارج کردن گرما و کنترل دما در سیستم های با شار حرارتی بالا مانند شکاف هسته ای، ذوب و گرفتن سیستم های میکرو/نانو الکترونیکی و واکنش شیمیایی با گرمای زیاد نیاز به بهینه سازی انتقال حرارت را افزایش می دهد.[1]
محدودیت ذاتی سیال برای افزایش انتقال حرارت، پایین بودن ضریب حرارتی سیال است. نانوسیال مخلوط معلق ذرات بسیار ریز جامد با ابعاد نانو در یک سیال پایه است که به صورت شگرفی ویژگی های حرارتی سیال پایه را افزایش می دهد. از طرفی به دلیل کوچکی بسیار ذرات جامد، نانوسیال ها بیشتر رفتاری شبیه به یک سیال تک فاز را دارا هستند تا سیال دو فاز جامد- مایع، به همین منظورافزایش ناچیزی در افت فشار نسبت به سیال پایه را موجب می شوند، در عین اینکه ضریب انتقال حرارت را بسیار افزایش می دهند.[2] برای نانوسیال ها بر پایه ضدیخAl2O3 / و - آبAl2O3 / ، نتایج عددی مایگا و همکارانش[3] نشان داد که ضریب انتقال حرارت بطور قابل توجهی با افزایش غلظت حجمی نانوذرات افزایش می یابد. هرچند، حضور چنین ذراتی باعث افزایش تنش برشی می شود و هرچقدر غلظت حجمی نانوذرات بیش تر باشد تنش برشی بیشتر می شود.
پالم و همکارانش[4]1 شبیه سازی های عددی جریان جابجایی اجباری آرام نانوسیال ها را بهمراه خواص وابسته به دما، مورد بررسی قرار دادند. آنها دریافتند که نانوسیال ها بر پایه آبAl2O3 / بهمراه کسر حجمی %4 می توانند افزایش %25 در ضریب انتقال گرمایی متوسط دیواره را در مقایسه با آب خالص تولید کنند.
جو و تزنگ[5]2بصورت عددی کارایی انتقال حرارت جابجایی نانوسیال ها در محفظه های مستطیلی دو بعدی مورد مطالعه قرار دادند. نتاج آنها نشان می دهد که افزایش کسر حجمی می تواند موجب افزایش ضریب انتقال حرارت متوسط شوند.
با استفاده از یک مدل پراکندگی هریس و همکارانش[6]3اخیراً شبیه سازی های عددی مربوط به انتقال حرارت جابجایی جریان آرام نانوسیال های آبی در یک لوله مدور بهمراه دمای ثابت دیواره را مورد بررسی قرار دادند. آنها گزارش کردند که نوسلت با افزایش غلظت نانوذرات و کاهش اندازه نانوذرات افزایش می یابد. محاسبات عددی آنها تطابق قابل توجهی با داده های تجربی آنها داشته است.
افشار و همکاران[7] به صورت عددی نانوسیال دو فازی را شبیه سازی کردند، و اثر پارامتر های مختلف بر پراکندگی نانوذرات در یک رژیم جریان لغزشی را مطالعه کردند. آنها تاثیر قطر ذرات، محل شروع پخش ذرات در میکروکانال و ضریب های لغزش در پراکندگی ذرات مورد بررسی قرار داند . نتایج آنها نشان می دهد که نیروی براونی بر حرکت نانوذرات تاثیر قابل ملاحظه ای دارد . آنها همچنین در مقاله ای دیگر [8]برای مدل کردن جریان دو فازی نانوسیال روش جدیدی را برای کوپل بین حرارت ناشی از پراکندگی و فاز پیوسته استفاده کردند. آنها به این نتیجه رسیدند که هندسه و پرفیل سرعت تاثیر زیادی بر پراکندگی نانوذرات دارند.
ازمی و همکاران [9] جریان مغشوش نانوسیال در یک لوله را به صورت عددی مورد مطالعه قرار دادند. آنها در این شبیه سازی از نانوسیال آب - اکسید گوگرد استفاده کردند و یک افزایش %94.1 در ضریب انتقال حرارت و %160 در ضریب اصطکاک در کسر حجمی % 3 نسبت به آب خالص را مشاهده کردند.
بدنه اصلی مقالات
2 مدلسازی عددی
1-2 هندسه مساله در این مقاله از هندسه 2 بعدی برای شبیه سازی استفاده شده
است. هندسه مورد نظر در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل :1 هندسه مساله مورد نظر 2-2 معادلات حاکم
معادلات پیوستگی، مومنتوم و انرژی به صورت دو بعدی معادلاتی هستند که در این مساله مورد نظر، جریان و انتقال حرارت را توصیف می کنند.
3-2 شرایط مرزی جریان ورودی دارای سرعت های مختلف با توجه به عدد رینولدز
می باشد. شرط مرزی شار حرارتی ثابت بر روی دیوارهای بالا و پایین در نظر گرفته می شود. دمای ورودی می باشد. جریان در خروجی به صورت توسعه یافته فرض می شود. طول لوله 1 و 0.8 متر و قطر آن مختلف می باشد.
4-2 ویژگی های ترموفیزیکی نانوسیال ضریب رسانش گرمایی، ویسکوزیته، چگالی و ضرفیت گرمایی برای نانوسیال توسط روابط 5 - تا - 8 بدست می آید.[11] - 5 -
5-2 روش حل عددی وصحت سنجی این مساله به صورت عددی و با نرم افزار تجاری فلوئنت حل شده است. باقیمانده حاصل از حل عددی در معادلات بقا، پارامتری برای بررسی همگرایی حل استفاده شده است که مقدار 6 10 برای همگرایی در نظر گرفته شده است. از روش بالادست مرتبه دوم4 برای گسسته سازی معادلات استفاده شده است. برای کوپل بین فشار و سرعت از الگوریتم سیمپل استفاده شده است، همچنین برایمدل سازی اغتشاش از مدل k استفاده شده است.
برای بررسی مستقل بودن حل از شبکه بندی، سه شبکه مختلف 8 450، 10 500 و .12 500 در شرایط یکسان برای شبیه سازی انتخاب شدند، طول لوله 0.8 متر و قطر آن 10 میلیمتر می باشد.عدد رینولدز 10000می باشد، در این قسمت ضریب انتقال حرارت متوسط در غلظت های حجمی مختلف نانوذرات - 1، 2، 3 و 4 درصد - در سه شبکه گفته مورد مقایسه قرار می گیرد. شکل 2 این مقایسه را نشان می دهد. همانطور که از شکل مشخص است، شبیه سازی وابسته به شبکه بندی نمی باشد و در هرسه شبکه تقریبا نتیجه یکسان بدست آمده است.
شکل :2 تاثیر شبکه بندی بر مقادیر ضریب انتقال حرارت متوسط همچنین تاثیر شبکه بر روی ضریب اصطکاک سطحی در طول لوله در سه شبکه گفته شده در شکل 3 نشان داده شده است. این مقایسه نیز نشان می دهد که شبکه بندی بر روی ضریب اصطکاک
سطحی تاثیر ندارد.
شکل:3 تاثیر شبکه بندی بر مضریب اصطکاک سطحی در طول لوله
در ابتدا مقاله وینسنزو بیانکو5 و همکاران[12] شبیه سازی می شود و سپس نتایج مربوطه با نتایج موجود در مقاله مورد مقایسه قرار
میگیرد. در مقاله مورد نظر انتقال حرارت نانوسیال Al 2O3 با سیال پایه آب در یک لوله صاف با قطر 10mm و طول 1m با شرط مرزیشار ثابت بر روی دیواره - m - مورد بررسی قرار گرفته است. در اینجا نیز عینا شرایط مورد نظر مقاله را در نرم فزار فلوئنت مدل کرده و نتایج به دست آماده مورد بررسی قرار داده می شود.
ابتدا نتایج مربوط به ضریب انتقال حرارت متوسط مورد بررسی قرار می گیرد. همانطور که از شکل 4 مشخص می باشد ضریب انتقال حرارت متوسط برای دو غلظت حجمی 1 و 4 درصد در رینولدز مختلف در حل حاضر و نتایج مربوط به مقاله مورد نظر مورد مقایسه قرار گرفته اند که مقایسه آن دو نشان می دهد که حل حاضر با خطای بسیار کم با حل موجود در مقاله قابل قیاس می باشد.
شکل : 4 مقایسه ضریب انتقال حرارت متوسط در حل حاضر و مقاله مورد نظر در این قسمت برای اینکه از صحت درستی شبیه سازی اطمینان حاصل شود نتایج آن را با فرمول های تئوری موجود مقایسه خواهد شد.
برای حل تحلیلی، رابطه رابطه دیتوس - بولتر[13] که رابطه ای برای عدد ناسلت در جریان مغشوش می باشد مورد استفاده قرار می گیرد
سپس با استفاده از مشخصات نانو سیال اکسید آلومینیوم که درجدول 2 آمده است مقدار عدد ناسلت محاسبه می شود.
جدول :2 مشخصات ترموفیزیکی نانوسیال آب- Al 2O3
