بخشی از مقاله
چکیده
در این بررسی جریان جابجایی توأم آزاد و اجباری نانوسیال آب - مس و سیال خالص در یک کانال عمودی حاوی یک تیغه نازک گرمازا به روش عددی مطالعه شده ا ست. دیوارههای کانال عایق بوده و تیغه گرمازا با دمای ثابت در میان کانال به صورت افقی قرار دارد. جریان به صورت یکنواخت در دمای سرد وارد کانال می شود و با تیغه گرم دما ثابت تبادل حرارت میکند. معادلات حاکم به روش حجم کنترل جبری شده و به کمک الگوریتم سیمپل به صورت همزمان حل میشوند.
هدف بررسی اثر تغییر پارامترهایی چون عدد ریچاردسون، کسر حجمی نانوذرات و طول تیغه گرمازا بر روی نرخ انتقال حرارت است. از نتایج دیده میشود که با افزایش عدد ریچاردسون، کسر حجمی نانوذرات و طول تی غه میزان نرخ انت قال حرارت در قا لب عدد نوس لت متوسط افزایش می یاب ند. همچنین تاثیر افزایش عدد ریچارد سون بر روی خطوط جریان و همدما نیز مورد برر سی قرار گرفته ا ست که دیده می شود با افزایش عدد ریچارد سون خطوط جریان و همدما به سمت پشت تیغه کشیده میشوند.
-1 مقدمه
مطالعه بر روی جریان جابجایی آزاد، جابجایی اجباری و جابجایی توأم آزاد و اجباری در کانالها به دلیل کاربردهای فراوان آن به طور و سیع گ سترش یافته ا ست. از جمله این کاربردها ا ستفاده در صنایع انرژی خور شیدی و انرژی ه ستهای میباشد.از نمونههای دیگر جریان جابجایی توأم در کانال که کاربرد وسیعتری دارد میتوان به جریان بین دو صفحه موازی همراه با قطعات گرمازا ا شاره کرد که چند دههای ا ست نظر اندی شمندان را به خود معطوف کرده ا ست. از جمله این کاربردها میتوان به مبدلهای حرارتی فشرده، خنککنهای میانی، دودکشها، خنک کردن قطعات الکترونیک و سیستمهای الکترونیکی مدرن اشاره کرد. در ادامه به بررسی کارهای صورت گرفته در زمینههای انتقال حرارت جابجایی توأم، جریان در کانالها، نانوسیالات و... میپردازیم.
سانترا و همکاران[1]، به بررسی اثر نانوسیال آب – مس بهعنوان محیط خنک کننده برای شبیه سازی رفتار انتقال حرارت جابجایی اجباری در یک مجرای دو بعدی نامحدود با مقطع م ستطیلی پرداختند. دیوار های بالایی و پایینی مجرا در حالت دما ثابت قرار دارند. معادلات پیوستگی، مومنتوم و انرژی برای جریان آرام و با استفاده از روش حجم کنترل و تقریب توان پیرو و بر اساس الگوریتم سیمپلر حل شدهاند.
این بررسی برای طیف معینی از اعداد رینولدز و کسر حجمی نانوذرات، هم برای سیال نیوتنی و هم برای سیال غیر نیوتنی صورت گرفته است. مشاهده شده است که استفاده از نانوسیال به جای سیال خالص در هر دو حالت سیال نیوتنی و غیر نیوتنی باعث تقویت انتقال حرارت میشود. نرخ انتقال حرارت با افزایش عدد رینولدز و کسر حجمی نانوذرات افزایش مییابد. در نهایت دیده شده است که بر خلاف جابجایی طبیعی در جابجایی اجباری، افزایش انتقال حرارت تقریبا در هر دو حالت سیال نیوتنی و غیر نیوتنی مشابه است.
ا صفهانی و همکاران[2]، به برر سی جریان جابجایی توأم و آرام نانو سیال آب – اک سید آلومینیوم در یک کانال افقی که دو منبع گرمازا بر روی دیواره پایینی دارند پرداختند. معادلات حاکم به صورت عددی و با استفاده از روش حجم کنترل و الگوریتم سیمپلر حل شدهاند. نتیجه به دست آمده برای طیف وسیعی از پارامترهای کلیدی یعنی عدد ریچاردسون، عدد رایلی و کسر حجمی نانوذرات ا ست. در این برر سی اثر ن سبت ابعاد منابع مختلف بر روی عدد نو سلت متو سط محا سبه شد و دیده شد که حداکثر سه درصد اختلاف در مقادیر نوسلت متوسط به وجود میآید. علاوهبراین نتایج نشان دادند که با افزایش غلظت نانوسیال از 0 - تا 5 درصد - عدد نوسلت متوسط کمتر از 10 درصد افزایش مییابد.
هانگ و پاپ [3]، به بررسی جریان جابجایی توأم آزاد و اجباری کاملا توسعهیافته در یک کانال عمودی پر شده با نانوسیال پرداختهاند. آنها راهحلهای تحلیلی برای هر دو جریان شناور همسو و مخالف ارائه نمودند. آنها دریافتند کسر حجمی نانوذرات اثرات قابل توجهی در بهبود انتقال حرارت دارند و نیز دریافتند که راه حل تحلیلی برای جریان مخالف در محدوده ای از عدد رایلی از نظر فیزیکی واقع گرایانه نیست. درحالیکه برای جریان همسو دو مقدار بحرانی رایلی وجود دارد که محدوده عدد رایلی را به دو منطقه تبدیل میکند که در هر ناحیه پروفیل سرعت برای رایلیهای مختلف یکسان باقی میماند. درحالیکه پروفیل سرعت در هر ناحیه با ناحیهی دیگر متفاوت است.
فکور و همکاران [4]، انتقال حرارت و جریان آرام توسعه یافته در یک کانال عمودی را بررسی کردند. آنها با استفاده از متغیر های تشابهی جدید، معادلات حاکم را به سه معادله و یک مجهول تغییر دادند و با شرایط مرزی و روش HPM به حل آن پرداختند. آنها اثرات عدد گراشف، پرانتل و رینولدز را در جریانات نانوسیال بررسی نمودند. همچنین اثرات پارامتر حرکت براونی، پارامتر ترموفورسیز1 و عدد لوییس را روی دما و توزیع غلظت نانوذرات بررسی کردند. تجزیه و تحلیل آنها نشان داد که نانوذرات میتوانند ویژگیهای انتقال حرارت را به طور قابل توجهی بهبود بخشند.
رئیسی و همکاران [5] ، انتقال حرارت جابجایی توأم نانوسیال آب – مس را در داخل یک کانال عمودی تحت تأثیر میدان مغناطیسی بررسی کردند. در این بررسی آنها یک جریان رو به بالا از نانوسیال آب – مس در دمای نسبتا پایین و سرعت یکنواخت که وارد کانال میشود را در نظر گرفتند و دریافتند که میدان مغناطیسی، اثرات متفاوتی بر نرخ انتقال حرارت در اعداد ریچاردسون مختلف دارد. همچنین افزایش کسر حجمی جامد منجر به افزایش نرخ انتقال حرارت و عدد ناسلت متوسط به ویژه در اعداد ریچاردسون کم میشود. این محققین پی بردند که هر چقدر که عدد ریچاردسون افزایش یابد تاثیر کسر حجمی جامد کمتر مورد توجه قرار می گیرد.
مالوندی و گنجی [6]، انتقال حرارت جابجایی توأم نانوسیال آب آلومینا را در داخل یک میکرو کانال عمودی از نظر تئوری مورد مطالعه قرار دادهاند. آنها مدل ا صلاح شدهای برای خواص نانو سیال ا ستفاده کردند و جریان را کاملا تو سعهیافته در نظر گرفت ند. مدل حر کت براونی و ضر یب پخش ترموفورسیز را به عنوان م کانیزم لغزش قرار داد ند و با در نظر گرفتن لغزش در دیواره ها در یافت ند که حر کت نانوذرات از دیوار گرم به س مت مرکز کا نال می باشد و توزیع نانوذرات غیر یکنواخت ا ست.
همچنین پی بردند که افزایش ک سر حجمی نانوذرات موجب افزایش نرخ انتقال حرارت و افت ف شار می شود. علاوه بر آن نشان دادند که پارامتر لغزش نقش مهمی در انتقال حرارت از میکرو کانالها ایفا میکند. با روی کار آمدن کامپیوترهای سرعت بالا، اتلاف حرارت در چیپ های آن ها یک منبع نگرانی بوده است. دمای بالای چیپها روی قابلیت و عملکرد سیستم تاثیر میگذارد. بنابراین خروج حرارت موثر لازم است تا به سیستم آسیب نرسد. از طرفی با پیشرفت علم و تکنولوژی به سمت صنایع کوچک و سبک لزوم استفاده از نانوسیال مطرح میشود. سیالات خالص عموما ضریب هدایت حرارتی پایینی دارند.
در کاربردهایی مانند انتقال حرارت از قطعات الکترونیکی گرمازا یا میکروکانالها که مقدار م شخ صی از حرارت قرار ا ست که از سطح کوچکی جابهجا شود، سیال عامل باید م شخ صههای موثری دا شته با شد. کاربرد های ز یادی از نانوس یال در محف ظه ها در ارت باط با انت قال حرارت جاب جایی آزاد وجود دارد که میتوان به تحقیقات انجام شده توسط امین الساداتی و قاسمی [7]، جهانشاهی و همکارانش[8] و اوزتوپ و ابوندا [9] اشاره کرد.
با توجه به مطالعات انجام شده، دیده میشود که کارهای کمتری روی انتقال حرارت جابجایی توأم در کانال عمودی همراه با منبع گرمازا در ح ضور نانو سیال صورت گرفته ا ست، خ صو صا جریان نانو سیال در کانال شامل تیغه نازک گرمازا تو سط نویسندگان مشاهده نشده است. به همین دلیل، مطالعه حاضر به بررسی عملکرد حرارتی تیغه نازک گرم درون یک کانال عمودی دو بعدی با نانوسیال پرداخته شده است.
-2 بیان مساله
-1-2 مشخصات کلی
هندسه مورد نظر، مطابق شکل 1 ، یک کانال عمودی دوبعدی با یک تیغه نازک گرمازای افقی واقع در وسط دیوارههای آن میباشد. جریان نانوسیال آب – مس با چگالی و لزجت به طور یکنواخت از ورودی با سرعت uc و دمای ثابت Tc وارد کانال میشود و از بالای کانال خارج میشود. شتاب گرانشی g در جهت منفی محور y عمل میکند. تیغه نازک گرمازا با دمای Th وسط دیوارههای کانال قرار گرفته است.
دیوارههای کانال به خوبی عایق شده است. فرض شده که در تمام دیوارهها شرط عدم لغزش برقرار است. طول کانال به اندازه کافی بزرگ در نظر گرفته شده تا شرط توسعه یافتگی سرعت و دما در خروجی فرض صحیحی باشد. هدف این است که به مقایسه انتقال حرارت نانوسیال و سیال خالص بپردازیم و اثر پارامترهایی همچون عدد ریچاردسون، کسر حجمی نانوذرات و ابعاد تیغه گرمازا را بر انتقال حرارت بررسی کنیم.
