بخشی از مقاله
چکیده
تحلیل انتقال حرارت جابهجایی اجباری نانوسیال شامل سه نانوذره اکسید آلومینیوم و سیال پایه آب، در رژیم جریان آرام با استفاده از نرم افزار فلوئنت انجام شده است. سه نانوذره اکسیدآلومینیوم، از لحاظ خواص سطحی، شکل و اندازه با هم تفاوت دارند. در حالت دبی حجمی ثابت، اثر افزایش کسر حجمی نانوذره بر ضریب انتقال حرارت جابهجایی میانگین و عدد ناسلت میانگین نانوسیالات آب-اکسیدآلومینیوم، مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین در یک کسر حجمی نانوذره ثابت، اثر افزایش دبی حجمی بر پارامترهای فوق، مطالعه شده است. مقایسه نتایج عددی با روابط موجود، تطابق خوبی را نشان داده است. از نتایج مهم تحقیق میتوان به افزایش ضریب انتقال حرارت جابه جایی با افزایش کسر حجمی نانوذره در حالت دبی حجمی ثابت اشاره کرد. در یک کسر حجمی نانوذره مشخص، افزایش دبی حجمی، موجب افزایش ضریب انتقال حرارت جابهجایی میانگین و عدد ناسلت میانگین میشود. نانوذرات با شکل استوانه ای، دارای ضریب انتقال حرارت جابهجایی بزرگتری نسبت به نانوذرات کروی هستند. همچنین در این تحقیق کاهش قطر نانوذرات، بهعنوان یک راه حل مؤثر در افزایش ضریب انتقال حرارت جابهجایی تشخیص داده شده است. نانوذره اکسیدآلومینیومAF که از شکل استوانهای و قطر کوچکتری نسبت به دو نانوذره دیگر برخوردار است، ضریب انتقال حرارت جابهجایی میانگین بزرگتری دارد.
-1 مقدمه
سیالات متداولی مثل آب یا اتیلن گلیکول که برای دفع حرارت از تجهیزاتی که تولید حرارت میکنند استفاده میشوند، به دلیل داشتن هدایت حرارتی پایین، خواص حرارتی ضعیفی دارند. بنابراین طی یک قرن گذشته تلاشهای بسیاری برای بهبود خواص حرارتی این سیالات انجام شده است. برای تحقق این امر، دانشمندان از تعلیق ذرات ریز با ابعاد میکرومتر و میلیمتر در سیال استفاده کردند و برای سوسپانسیون حاصل نام میکروسیال را گذاشتند. این کار اولین بار توسط ماکسول[1] انجام شد. استفاده از این ذرات مشکلاتی از قبیل رسوب دهی، خوردگی اجزا، افت فشار اضافی و رفتار غیر نیوتنی را به همراه داشت. با ظهور فناوری نانو، امکان ساخت ذراتی با ابعاد نانومتر فراهم شد که از پخش این ذرات بسیار ریز در سیال پایه، نانو سیال تهیه شد. واژه نانوسیال ابتدا توسط چوی [2]در سال 1995 پیشنهاد شد و از آن پس تحقیقات متعددی در رابطه با نانوسیال انجام گرفت . در ادامه به چند مورد از کارهای قبلی که در رابطه با انتقال حرارت جابهجایی نانوسیالات انجام شده است، پرداخته میشود. زان و لی به صورت تجربی انتقال حرارت جابهجایی و ضریب اصطکاک نانوسیال را در دو رژیم جریان آرام و مغشوش مطالعه کردند و نتایج ایشان نشان داد که سرعت سیال و کسر حجمی نانوذرات بر روی ضریب اصطکاک و ضریب انتقال حرارت جابهجایی تأثیر گذار هستند3]و.[4 مشخصههای انتقال حرارت جابهجایی نانوسیال آب- آلومین جاری در لوله مسی، توسط ون و دینگ بررسی شد و ایشان دریافتند که با افزایش عدد رینولدز و کسر حجمی نانوذرات، ضریب انتقال حرارت جابهجایی افزایش مییابد.[5] هریس و همکارانش ضریب انتقال حرارت نانوسیال آب -آلومینا جاری در یک مجرا با دمای ثابت دیواره را اندازه گیری کردند.
ایشان همچنین به صورت عددی انتقال حرارت جابه جایی آرام نانوسیال در درون لوله مدور را برای ذرات مختلف در ابعاد گوناگون تحلیل کردند و نتیجه گرفتند که با افزایش کسر حجمی نانوذرات، ضریب انتقال حرارت افزایش مییابد6]و.[7 میر معصومی و همکارانش جابهجایی ترکیبی نانو سیال آبآلومین- را در ناحیه کاملاً توسعه یافته به صورت عددی مطالعه کردند. تحلیل ایشان که شامل در نظر گرفتن مدل مخلوط دو فازی بود، این نتیجه را در برداشت که ضریب انتقال حرارت جابهجایی با کاهش قطر متوسط نانوذرات، به طور قابل ملاحظهای افزایش مییابد.[8] مروجی و همکارانش انتقال حرارت جابهجایی نانوسیال آب-آلومینا جاری در یک لوله تحت شار حرارتی ثابت را با فرض اینکه نانوذرات و آب مثل یک مخلوط تکفاز با خواص متوسط عمل میکنند، را بررسی کردند . ایشان همچنین رابطهای را برای عدد ناسلت که در تطابق خوبی با روابط قبلی بود، ارائه کردند .[9] انتقال حرارت در حال توسعه نانو سیال آب-آلومینا در مجراها به صورت عددی به وسیله ایزدی و همکارانش با فرض مدل تک فاز مطالعه شد. ایشان نتیجه گرفتند که اثر کسر حجمی نانوذره روی دمای بالک نانوسیال مهم است.[10] تحقیق تجربی بر روی انتقال حرارت نانوسیال آب -آلومین بوسیله آنوب و همکارانش انجام شد و نتایج ایشان افزایش قابل ملاحظه ای را در انتقال حرارت جابهجایی نشان داد که این افزایش در ناحیه ورودی بیشتر بود.[11] در تحقیق اخیر با استفاده از نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی فلوئنت به تحلیل انتقال حرارت جابهجایی نانوسیال شامل سه نانوذره اکسید آلومینیوم که از لحاظ خواص سطح، اندازه و شکل با هم تفاوت دارند در سیال پایه آب، پرداخته میشود و اثرات شکل و اندازه و سطح تماس بر ضریب انتقال حرارت جابهجایی میانگین بحث خواهد شد.
-2 مدلسازی ریاضی
جدول 1و2 خواص فیزیکی نانوذرات اکسیدآلومینیوم و سیال پایه آب را نشان میدهد. در این مقاله، نانوسیال به صورت تکفاز در نظر گرفته شده است و فاز سیال بهعنوان یک فاز پیوسته فرض شده است. جریان و انتقال حرارت با معادلههای پیوستگی، ممنتم و انرژی تشریح میشوند.[10] ویسکوزیته سیال پایه و عدد ثابتی است. انیشتین در رابطه خود، را برابر با 2.5 در نظر گرفت که برای نانوسیالات این مقدار بیشتر از 2.5 است و این بدین معنی است که نانوذرات در مقایسه با میکروذرات در سوسپانسیون، حجم مؤثر بیشتری دارند. با استفاده از نتایج آزمایشگاهی چان و همکارانش[14] مقدار برای سه نانوذره اکسید آلومینیوم AR، AK وAF به ترتیب 3.5573، 4.9407 و15.4150 محاسبه شده است. کانگ و همکارانش در سال [15]2006 با در نظر گرفتن حجم مؤثر ذرات در سوسپانسیون، فرمول تئوری زیر را برای پیش بینی هدایت حرارتی نانوسیالات ارائه کردند:
-3 شبیه سازی عددی
میکرولوله مورد بحث، دارای قطر 150 میکرومتر و طول30 میلی متر است. چنین میکرولولهای میتواند جهت مقاصد خنککاری از تجهیزات الکترونیکی دارای مدارات مجتمع مورد استفاده قرار بگیرد. برای تولید هندسه و شبکه بندی میدان حل، از نرم افزار گمبیت استفاده شده است. هندسه مورد تحلیل به همراه شرایط مرزی در نظر گرفته شده در شکل1 نشان داده شده است:
محور
شکل:1 هندسه و شرایط مرزی در نظر گرفته شده
میدان حل با المانهای چهار ضلعی و به صورت غیر یکنواخت و سازمان یافته، شبکه بندی شده است. به دلیل وجود گرادیانهای شدید در نزدیکی دیواره میکرولوله، از شبکه با ضریب غیر یکنواختی 1.1 در نزدیکی دیواره میکرولوله استفاده شده است. جهت تحلیل مسئله از نرم افزار فلوئنت استفاده شده است. با توجه به تقارن محوری که در مسئله وجود دارد، به دلیل کاهش هزینه های محاسباتی تنها نیمی از مسئله در نرم افزار مورد تحلیل قرار گرفته است. به دلیل اینکه قطر نانوذرات از 100 نانومتر کوچکتر است، مدل تکفاز به خوبی رفتار نانوسیال در میکرولوله را تحلیل میکند. فرض جریان آرام، پایا و هندسه دوبعدی از دیگر فرضیات اعمال شده در مسئله است. همچنین در معادله انرژی از ترم تلفاتی که بهواسطه لزجت به وجود میآید، صرفنظر شده است. شرایط مرزی مسئله به صورت ورودی سرعت، خروجی فشار، دیواره بالایی و محور تعریف شده اند. جهت بررسی استقلال نتایج از شبکه ایجاد شده، شبکه مورد نظر در 7 مرحله ریز شده است. شکل 2 بررسی استقلال نتایج از شبکه را نشان میدهد. سیال مورد نظر آب مایع بوده و سرعت ورودی سیال 3 متر بر ثانیه و یکنواخت است و دمای ورودی سیال به میکرولوله 298.15 درجه کلوین در نظر گرفته شده است. شار حرارتی اعمال شده به دیوارههای میکرولوله 100000 وات بر متر مربع است.
شکل:2 بررسی استقلال نتایج از شبکه
همانگونه که در شکل2 دیده میشود، با افزایش تعداد گرهها از 22464 دیگر تغییری در اختلاف دمای حداکثر دیواره با دمای ورودی سیال مشاهده نمیشود، لذا شبکه مورد تحلیل شبکه ای با 22464 نود میباشد.
1-3 تأیید شبیه سازی عددی
به منظور تأیید روش عددی مورد استفاده، نتایج حاصل از شبیه سازی با نتایج رابطه شاه و همکاران 16]و[17که در تطابق بسیار خوبی با نتایج تجربی [18]بوده است، مقایسه شده است. رابطه 8 معرف رابطه شاه و همکاران میباشد.
حرارت موضعی در طول میکرولوله، شار حرارتی ثابت دیواره میکرولوله، دمای دیواره میکرولوله و دمای بالک سیال است که دمای بالک سیال از رابطه زیر به دست میآید:
، ̇و به ترتیب بیانگر متوسط دمای ورودی سیال، محیط سطح میکرولوله و دبی جرمی سیال ورودی است.
3 4-2 اردیبهشت 1393، ISME2014
