بخشی از مقاله
چکیده
هدف از این تحقیق بررسی انتقال حرارت جابجایی اجباری در میکروکانال گرماگیر مارپیچی شکل است که در آن دو نانو سیال Al2O3/Water و CuO/Water از درون کانال عبور داده می شود و با استفاده از معادلات حاکم بر جریان و انتقال حرارت در میکروکانال ها رفتار حرارتی هر دو نانوسیال بررسی می گردد. و سپس با تحلیل عددی توسط نرم افزار ANSYS-FLUENT مقاومت حرارتی و ضریب انتقال حرارت جابجایی برحسب عدد رینولدز و همچنین شار حرارتی را بر حسب سرعت جریان در غلظت های مختلف از نانوسیال های فوق به دست امده است که با مقایسه با داده های تجربی مطابقت خوبی دارد. و بهترین حالت انتقال حرارت با استفاده از دو نانوسیال مربوطه تعیین می گردد.
مقدمه
میکروکانال های گرماگیر برای نخستین بار توسط تاکرمن و پیس پیشنهاد شد. آن ها بیان کردند که با کوچک شدن قطر کانال، ضریب انتقال گرما افزایش می یابد. آن ها توانایی افزایش 40 برابری ضریب انتقال گرما را به وسیله میکروکانال ها در مقایسه با مبادله گرهای معمولی گرما نشان دادند.
دلیل قابلیت بالایی میکروکانال ها برای جذب گرما، کوچک بودن قطر هیدرولیکی آن ها همزمان با سطح نسبتا بزرگ انتقال گرمای آن ها می باشد. با کاهش قطر هیدرولیکی مجرا ضریب انتقال حرارت جابجایی افزایش می یابد اما میزان افت فشار نیز درون میکروکانال افزایش می یابد و توان بیشتری برای پمپ کردن سیال نیاز است. بنابراین افت فشار یکی از مهمترین نگرانی ها در میکروکانال ها می باشد.یکی از راه های بهبود این نوع انتقال حرارت، استفاده از سیالی با ضریب انتقال حرارت جابجایی بالاست .
از میان روشهایی که به این منظور وجود دارد، بکارگیری مواد افزودنی، برای بهبود خواص مربوط به انتقال حرارت سیال در سالهای اخیر بیشتر مورد توجه گرفته است . این مواد افزودنی می توانند ذرات جامد فلزی یا غیرفلزی باشند که خواص انتقال حرارتی خوبی دارند و هرگاه آنها را در اندازه های کوچک به سیال اضافه کنیم خواص گرمایی مخلوط بهبود پیدا می کند. سیالی که حاوی ذرات جامدی با ابعاد نانو است به اصطلاح" نانوسیال "نامیده می شود که کاربرد آنخصوصاً در زمینه انتقال حرارت جابجایی به طور روزافزون در حال افزایش است.
جهت بهبود خواص انتقال حرارت سیالات متداول، دانشمندان ازتعلیق ذرات ریز با ابعاد میکرومتر و میلی متر در سیال استفاده کردند و برای سوسپانسیون حاصل نام میکروسیال را گذاشتند. این کار اولین بار توسط ماکسول در سال 1881 انجام شد.[2] استفاده از این ذرات، مشکلاتی از قبیل رسوب دهی، خوردگی اجزا، افت فشار اضافی و رفتار غیر نیوتنی را به همراه داشت. واژه نانو سیال ابتدا توسط چوی در سال 1995 پیشنهاد شد و از آن پس تحقیقات متعددی دررابطه با نانوسیال انجام گرفت
یانگ و همکارانش در سال 2011، جریان و انتقال حرارت نانو سیال آب- آلومین در میکرو کانال مستطیلی را با استفاده از روش بولتزمن مورد مطالعه قرار دادند و نتیجه گرفتند که با افزایش کسر حجمی نانوذره و عدد رینولدز، عدد ناسلت افزایش مییابد و پروفیل بدون بعد سرعت آب و نانو سیال آب- آلومین در عدد رینولدز ثابت یکسان است، ولی توزیع دمای بدون بعد در صورت استفاده از نانوسیال در اعداد رینولدز ثابت، یکنواختتر بوده است.
فرساد و همکارانش درسال 2012، تحلیل عددی کارایی نانوسیال در یک میکروکانال گرماگیر را انجام دادند و نتیجه گرفتند که توزیع دما در میکروکانال گرماگیر با نانوسیال، خیلی یکنواختتر از آب خالص است و مقاومت گرمایی درصورت استفاده از نانوسیال آب- اکسید مس در مقایسه با آب خالص، %4.8 کاهش مییابد
هانگ و همکارانش در سال2012، افزایش انتقال حرارت در یک میکروکانال گرماگیر با استفاده از نانوسیال را بحث کردند و نتیجه گرفتند که با تنظیم کسر حجمی نانوذره و قدرت پمپاژ برای نانوسیال مورد مطالعه، میتوان به پایینترین مقاومت گرمایی معادل رسید. همچنین بهازای قدرت پمپاژ ثابت، ایشان دریافتند که با کاهش اندازه نانوذرات آلومین، مقاومت گرمایی کاهش مییابد. همچنین اشاره کردند که با افزایش قدرت پمپاژ، مقاومت گرمایی معادل کاهش خواهد یافت.
مدلسازی
معادلات حاکم بر جریان سیال همان معادلات ناویر استوکس مرسوم میباشند، با این تفاوت که چون در پژوهش حاضر از ذرات معلق در سیال پایه به عنوان یک عامل در افزایش انتقال حرارت استفاده شده است باید از مدلهای تک فازی و یا دوفازی برای حل معادلات سیال و انرژی استفاده گردد.
در این روش سیال با دوفاز درنظر گرفته میشود که این دوفاز اختلاف سرعتی با هم دارند. پس از اعمال روابط بصورت مجزا برای هر فاز و جفت کردن این معادلات با نسبت حجمی در حجم کنترل حل میشوند.
شرایط مرزی
شرایط مرزی حاکم بر میکروکانال در شکل 1-1 نشان داده شده است.
شکل 1-1 شرایط مرزی حاکم بر میکروکانال.
شرط مرزی وارد بر کف میکروکانال نیز دیواره با شار حرارتی ثابت معادل با 7W/mm2 وارد میشود. باقی مرزها نیز همانطور که در شکل 1-1 نشان داده شده است، دیواره با شرط جابجایی آزاد با محیط اطراف میباشد.
حل
در اینجا فرض میشود که جریان آرام، تراکمناپذیر با پروفیل سرعت یکنواخت با سرعت و دمای ثابت um و Ti وارد میکروکانال میشود. سیال عامل درنظر گرفته شده جهت شبیهسازی، نانو سیال آبAl2O3/ و آبCuO/ میباشد. معادلات حاکم در حالت پایا در روابط - 1-1 - تا - 6-1 - آورده شده است. جهت گسستهسازی معادلات از روش اویلر پیشرو مرتبه اول و برای ایجاد کوپلینگ بین فشار و سرعت از الگوریتم سیمپل استفاده شده است. در اینجا جهت شبیهسازی جریان دوفازی از مدل مخلوط استفاده شده است که یک سرعت لغزشی بین نانوذرات و سیال پایه درنظر میگیرد. همچنین جهت حل میدان جریان و میدان دما از رویکرد حجم محدود در حالت ضمنی استفاده شده است.
