بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق به تجزیه و تحلیل پدیده انتقال حرارت آزاد و اجباری - ترکیبی - سیال میکروقطبی در یک کانال قائم پرداخته میشود. سیال غیر قابل تراکم، آرام، دو بعدیبا جریان کاملاً توسعه یافته و دارای انتقال حرارت ترکیبی در یک کانال قائم با سطح مقطع مستطیلی و خواص ترموفیزیکی ثابت در نظر گرفته میشود. انتقال حرارت و جرم به وسیله جابجایی ترکیبی سیال میکرو قطبی در کانال عمودی با منبع و سینک حرارتی به صورت تحلیلی با شرایط مرزی مختلف مطالعه و بررسی شد. هر دو حالت دمای دیواره یکنواخت و نامتقارن نیز در حوزه جریان آنالیز شدند.
برای دماهای دیواره متقارن و نامتقارن، سرعت با افزایش سرعت چرخشی کاهش مییابد و افزایش پارامتر لزجت گردابهای باعث افزایش سرعت میکرو چرخش برای هر دو حالت جریان رو به بالا و رو پایین میشود. سرعت میکرو دوران در جریانهای رو به بالا و پایین برای چاه حرارتی کاهش یافت. ضریب جذب حرارت، دما را در دیوار راست کاهش داده و در دیوار چپ افزایش میدهد که در آن اثر وارونگی برای ضریب تولید حرارت مشاهده میشود.
-1 مقدمه
نظر به افزایش و کاربرد وسیع سیالات میکرو قطبی در صنایع مختلف اهمیت بررسی جریان سیال و انتقال حرارت اینگونه سیالات افزایش یافته است. یک سیال میکروپولار، سیالی است که بین پیچش هرذره و میدان سرعت ماکروسکوپیک آن پیوستگی وجود دارد. نمونه هایی ازسیالاتی که به خوبی با استفاده از فرضیه سیالات میکرو قطبی توصیف می شوند عبارتند از:جریان محلولهای کلوئیدی، کریستالهای مایع، سیالات پلیمر و خون.
از نظر فیزیکی سیالات میکرو قطبی را می توان به صورت سیالات غیر نیوتنی متشکل از مولکول های دمبلی شکل یا المان های استوانه ای کوتاه وصلب، سیالات پلیمری، سیالات با ذرات معلق و غیره تعریف کرد. کاربرد درست و بهینه این نوع سیالات میتواند نقش اساسی در اقتصاد مهندسی و صرفه جویی انرژی در صنایع داشته باشد. از طرفی استفاده از مبدل های حرارتی فشرده نیز میتواند در افزایش راندمان انتقال حرارت سیال میکروقطبی موثر باشد. در صنایع طول برخی از فرایندها کوتاه است و سیال در ابن مبدلها قبل از رسیدن به مرحله توسعه یافته از مبدل خارج می شود. بنابراین دانستن توزیع سرعت، دما و افت فشار در ناحیه در حال توسعه یافته ضروری است. چسبندگی اینگونه سیالات با دما تغییر می کند و در صورتی که دما بالا باشد می توانند اثرات تعیین کننده ای روی انتقال حرارت داشته باشد.
با توجه به ریز ساختارها در پیوندهای مولکولی انواع سیالات، واقعیت امر این است که معادلات ناویر استوکس برای تحلیل هیدرودینامیکی و حرارتی سیالات در اکثر موارد و شرایط فیزیکی مورد بررسی دارای جواب های مستدل و منطبق بر نتایج تجربی نمی باشد. لذا در نظر گرفتن اثرات اینرسی دورانی محلی و همچنین تنش های دوگانه در سیالات میکروپولار منتهی به استخراج نتایج واقع بینانه در پروسههای تبادل حرارتی آنان با دیوارهای کانال و یا سطوح جامد میگردد از آنجایی که رفتار فیزیکی متفاوتی برای سیالات میکروپولار در چهار دهه اخیر ارائه شده، لذا ما میخواهیم با انتخاب مدل مناسب تری از روابط ارائه شده به تجزیه و تحلیل پدیده انتقال حرارت از نوع جابجایی ترکیب - آزاد و اجباری - در حین حرکت رو به بالا در یک کانال قائم بپردازیم.
بدیهی است مقایسه نتایج برای سیال نیوتنی با همان خواص فیزیکی ولی با مقادیر متفاوت، موجب میشود به درک بهتری از انتقال حرارت برای سیال میکروپولار دست یابیم. بررسی انتقال حرارت ترکیبی - جابجایی اجباری همراه با جابجایی آزاد - در اغلب پدیدههای تبادل حرارتی وجود دارد به ویژه در انتقال گرما از منبع حرارتی تا محل مصرف انرژی به طریق کانال ها، عمو من اثرات این دلو جابهجایی ملحوظ می باشد. اما در اکثر کارهای تحقیقاتی در زمینه انتقال حرارت، استفاده از رفتار نیوتونی انواع سیالات بوده است که نتایج عددی آن با نتایج تجربی با خطای بالای 10 درصد همراه می باشد. علت اصلی آن عدم احتساب حرکت های دورانی با ساختار میکرونی در حین حرکت سیال می باشد.
-2 هندسه و فرضیات حاکم و مسئله:
یک کانال قائم به عرض 2 که در شکل - 1 - نمایش داده شده است فرض میشود که جریان یک سیال میکروقطبی درون آن برقرار می باشد. همانطور که در شکل مشخص میباشد در این مطالعه توزیع سرعت و دما در ورود به این کانال یکنواخت می باشد .
شکل -1 هندسی کانال و شرایط ورودی
1؛-2فرضیات مسئله
در این و معادلات حاکم با در نظر گرفتن فرضیات زیر بدست آمده اند:
-1 سیال غیر قابل تراکم
-2 جریان سیال آرام
-3 جریان دوبعدی
-4 جریان متقارن محوری، این شرط بیان میدارد که مشخصات سیال مستقل از زاویه است
-5 انتقال حرارت ترکیبی
-6 سطح مقطع مستطیل
-7 جریان کاملا توسعه یافته
-8 رسانایی گرمایی، نفوذ پذیری حرارتی، لزجت دینامیکی و ضریب انبساط حرارتی ثابت فرض می شوند.
-3 معادلات حاکم بر جریان
برای بیان پدیده های فیزیکی راه های مختلفی وجود دارد که دقیق ترین آنها بیان ریاضی می باشد. در ریاضی معولاًم از ابزاری به نام معادله دیفرانسیل برای تشریح تمام جزئیات مربوط به یک پدیده فیزیکی استفاده می شود. اصول بقایی که در این فصل بررسی میشود عبارتند از: اصل بقای جرم - قانون پیوستگی - ، اصل بقای اندازه حرکت و اصل بقای انرژی، یک فیزیکدان برای بررسی پدیده فیزیکی ابتدا آن را به دقت مشاهده میکند، سپس با یک سری فرضیات ساده کننده سعی میکند پدیده را به صورت ریاضی را عمدا در قالب معادلات دیفرانسیل بیان کنند. آنگاه معادلات دیفرانسیل را حل کرده و با نتایج واقعی مقایسه می کند. درصورتیکه مقایسه نتیجه قابل قبولی ارائه دهد بر مشاهده و فرضیات ساده کننده و روش حل معادلات صحه گذاشته می شود.
در بررسیها عموما ناحیه ای از فضا به نام حجم کنترل به عنوان میدان حل در نظر گرفته میشود که اینمیدان حل محدود به سطوحی به نام سطوح کنترل هستند. در موقع حل معادلات دیفرانسیل نیاز به شرایط مرزی و اولیه خواهد بود که شرایط مرزی از طریق ویژگیهای سطوح کنترل به داخل میدان حل راه میابند و شرایط اولیه نیز از طریق تشریح میدان حل در زمان شروع - t=0 - معین میشود. روشی که برای مطالعه انتخاب گشته معروف به روش اویلری می باشد که حجم کنترل نسبت به محورهای مختصات ثابت می باشد و سیال وارد حجم کنترل شده و خارج می گردد.
