بخشی از مقاله
خلاصه
در مطالعه حاضر، جابجایی ترکیبی ناهمسوی نانوسیالات مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور، یک محفظه متخلخل مربعی با یک دیوار عمودی دماثابت و سه دیوار آدیاباتیک با فرض تعادل گرمایی در نظر گرفته میشود. برای شرایط مذکور، معادلات پیوستگی و اندازه حرکت به روش حجم محدود حل میشوند. محاسبات برای نانوذرات مس، اکسیدآلومینیوم و اکسیدتیتانیوم در سیال پایه آب انجام میگیرد. علاوه بر این، تأثیر کسرحجمی نانوذرات و مکان مقطع خروجی در اعداد رایلی و پکلت مختلف بررسی میشوند. نتایج نشان میدهد که افزایش کسرحجمی نانوذرات و تغییر مکان مقطع خروجی در پکلتهای بالا سبب افزایش عدد ناسلت میانگین میشود. علاوه بر این، مشاهده میشود که در میان نانوسیالات آب-مس، آب-اکسیدآلومینیوم و آب-اکسیدتیتانیوم، نانوسیال آب-مس بیشترین تبادل گرما را به همراه دارد.
کلمات کلیدی: نانوسیال، محیط متخلخل، جابجایی ترکیبی، جریان ناهمسو، عدد پکلت.
.1 مقدمه
بررسی انتقال گرما در محیطهای متخلخل به دلیل افزایش سطح تماس و در نتیجه افزایش ضریب انتقال گرمای جابجایی یکی از موضوعات حائز اهمیت است که در دهههای اخیر مورد توجه بسیاری از پژوهشگران قرار گرفته است. جابجایی ترکیبی نوعی از انتقال گرما است که از حضور همزمان جابجایی آزاد و جابجایی اجباری حاصل میشود. در جابجایی ترکیبی، عدد رایلی و عدد پکلت به ترتیب بیانگر میزان تاثیرگذاری جابجایی آزاد و جابجایی اجباری بر میزان انتقال گرما میباشند. مسأله مذکور در طراحی مبدلهای حرارتی، ذخیرهسازی انرژی، فیلتراسیون، کلکتورهای خورشیدی، راکتورهای هستهای و بسیاری از موارد دیگر کاربرد دارد و توسط پژوهشگران مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است.
محمود و پاپ [1] جابجایی ترکیبی را در شرایط همسو و ناهمسو در یک محفظه متخلخل مربعی مورد بررسی قرار دادند. نتایج آنها نشان داد که در حالت همسو، افزایش پهنای مقاطع ورودی و خروجی همواره سبب افزایش عدد ناسلت میانگین میشود؛ اما در حالت ناهمسو، با توجه به مقدار عدد رایلی، این افزایش پهنا ممکن است عدد ناسلت میانگین را کاهش دهد. غضنفریان و عباسی [2] نیز جابجایی ترکیبی درون یک محفظه متخلخل مربعی را با قرارگیری مقطع خروجی در مکانهای مختلف محفظه مورد مطالعه قرار دادند. آنها دریافتند که انتقال گرما با قرار گرفتن مقطع خروجی در گوشه سمت راست دیوار بالا، افزایش یافته و با قرار گرفتن آن بر روی ضلع سمت راست، کاهش مییابد.
همچنین آنهامشاهده کردند که با افزایش پهنای ورودی، مقدار عدد ناسلت میانگین بیشتر میشود. صالحی و زحمتکش [3] به بررسی جابجایی ترکیبی در محفظه های متخلخل با تغییر مکان مقطع ورودی پرداختند. آنها مشاهده کردند که بیشترین میزان انتقال گرما مربوط به حالتی است که ورودی جریان بر روی دیوار دماثابت قرار میگیرد.اخیرا استفاده از نانوسیالات در محیطهای متخلخل به منظور بهبود انتقال گرما درون محفظهها و کاربردهای متعدد در زمینههای مختلف مهندسی، رایج گردیده است.در زمینه جابجایی آزاد، زحمتکش [4] به تحلیل تولید آنتروپی نانوسیالات در جابجایی آزاد درون محفظههای متخلخل مستطیلی پرداخت.
نتایج بهدست آمده نشان داد که با افزایش عدد رایلی، کسرحجمی نانوذرات و نسبت منظری محفظه، انتقال گرما و تولید آنتروپی درون محفظه افزایش مییابد. همچنین، در میان نانوسیالات آب-مس، آب-اکسیدآلومینیوم و آب-اکسیدتیتانیوم، بیشترین انتقال گرما و تولید آنتروپی در نانوسیال آب- مس مشاهده شد. در مطالعهای دیگر نیز زحمتکش [5] تاثیر تبادل گرما در این مسأله را با استفاده از خطوط گرما مورد بررسی قرار داده است. گروسان و همکاران [6] جابجایی آزاد در یک محیط متخلخل مربعی اشباع شده با نانوسیال را مورد بررسی قرار دادند. نتایج آنها نشان داد در حالتی که، مقدار رسانش گرمایی نانوذرات بسیار بالاتر از رسانش گرمایی ماتریس جامد باشد، افزودن نانوذرات به سیال سبب بهبود تبادل گرما میشود.
نسیم حسن و همکاران [7] جابجایی ترکیبی نانوسیال آب-مس را درون یک محفظه متخلخل مربعی مورد مطالعه قرار دادند. آنها به بررسی اثر پارامترهای مختلف بر عدد ناسلت میانگین در دیوار گرم پرداختند. بر اساس نتایج آنها، در همه مقادیر عدد ریچاردسون، افزودن نانوذره سبب بهبود انتقال گرما میشود. اسماعیل و همکاران [8] در کاری عددی به بررسی انتقال گرما و تولید آنتروپی درون یک محفظه متخلخل مربعی اشباع شده با نانوسیال که گرمایش درون آن توسط دیوار مثلثی شکل، صورت میگرفت پرداختهاند. اخیرا نیز سورشکومار و مستیمیلسلون [9] به بررسی جابجایی ترکیبی نانوسیال آب-مس در یک محفظه متخلخل شیبدار در حضور یک دریچه متحرک در بالای آن پرداختند. نتایج حاصل از بررسی آنها نشان داد که افزایش زاویه شیب محفظه، در تخلخلهای پایین، تغییری در الگوی جریان و میزان انتقال گرما ایجاد نمیکند.
اما در تخلخلهای بالا، هم در جابجایی آزاد و هم در جابجایی ترکیبی، افزایش زاویه شیب، تبادل گرما را کاهش میدهد. همچنین، آنها مشاهده کردند که با افزایش کسرحجمی، عدد ناسلت میانگین افزایش مییابد.با توجه به عدم وجود بررسیهای جامع در زمینه جابجایی ترکیبی ناهمسوی نانوسیالات در محفظههای متخلخل، پژوهش حاضر شکل گرفته است. در این مطالعه، جابجایی ترکیبی نانوسیالات آب-مس، آب-اکسیدآلومینیوم و آب-اکسیدتیتانیوم درون یک محفظه متخلخل مربعی مورد بررسی قرار میگیرد. تاثیر پارامترهایی نظیر عدد رایلی، عدد پکلت، کسرحجمی نانوذرات، جنس نانوذرات و مکان مقطع خروجی بر مقدار عدد ناسلت میانگین مطالعه گردیده و نتایج در قالب نمودارهایی ارایه میشوند.
.2 معادلات حاکم
هندسهای از محفظه متخلخل مربعی اشباع شده با نانوسیال در شکل 1 نشان داده میشود. دیوار سمت چپ محفظهدماثابت سرد - با دمای - و سه دیوار دیگر آدیاباتیک میباشند. در اینجا، سرعت و دمای ورودی نانوسیال به ترتیب باو نمایش داده میشوند. بطوریکه، دمای نانوسیال ورودی - - بزرگتر از دمای دیوار دماثابت - - میباشند. به عبارت دیگر، نیروی شناوری هم جهت با نیروی گرانش بوده و جابجایی ترکیبی، ناهمسو میباشد. همانگونه که در شکل پیداست، دریچههای ورودی و خروجی به ترتیب در دیوارهای پایین و راست با پهنای D قرار گرفتهاند. از آنجایی که در پژوهش حاضر اثر محل قرارگیری مقطع خروجی مورد مطالعه قرار میگیرد، متغیر بیبعد S به عنوان فاصله بیبعد مقطعخروجی از ورودی تعریف شده است. با این تعریف، به ازای قرارگیری مقطع خروجی با پهنای D=0.15 در گوشه سمت راست دیوار پایین S=1 ، گوشه پایین دیوار راست S=1.15، گوشه بالا دیوار راست S=2، گوشه سمت راست دیوار بالا S=2.15 و گوشه سمت چپ دیوار بالا S=3 میباشد.
