بخشی از مقاله
چکیده
همواره انتقال حرارت از مباحث اساسی مهندسی مکانیک بوده است. بنابراین در موارد کاربردی زیادی محققین به دنبال راه هایی برای افزایش انتقال حرارت هستند. یکی از این راه ها بهبود انتقال حرارت نوع سیال بکار رفته است. همانطور که عنوان شد یکی از راه های بهبود انتقال حرارت سیال بکارگیری فروسیالات و قرار دادن سیال تحت تاثیر میدان مغناطیسی است. سیالات مغناطیسی - فرو نیز نامیده می شوند - با استفاده از مخلوط کلوییدی مایع حامل غیرمغناطیسی سنتز می شود. معمولا از یک حلال آلی یا آب حاوی دامنه ذرات مغناطیسی با قطر 5-15نانومتر تولید شده است.
مزیت فروسیالات این است که این امکان وجود دارد که جریان سیال و انتقال حرارت توسط یک میدان مغناطیسی خارجی قابل کنترل باشد که باعث می شود از آن در زمینه های مختلف از قبیل بسته بندی الکترونیکی، مهندسی مکانیک، مهندسی حرارتی هوافضا و مهندسی زیستی استفاده شود.
در این مطالعه به بررسی عددی تاثیر میدان مغناطیسی بر پروفیل سرعت جریان و انتقال حرارت در یک فروسیال گذرنده از کانال عمودی با استفاده از نرم افزار فلوئنت پرداخته شده است.
میدان مغناطیسی باعث اعمال نیرویی موسوم به نیروی کلوین بر سیال مغناطیسی میشود. این نیروی مغناطیسی باعث ایجاد یک جریان ثانویه عرضی و تشکیل دو گردابه در کانال میشود. این جریان ثانویه باعث راندن سیال گرم از کنار دیواره به سمت مرکز کانال و کشاندن سیال سرد از مرکز کانال به سمت دیواره میشود. این جابجایی اجباری جریان باعث افزایش انتقال حرارت و بهبود عملکرد مبدل حرارتی میشود.میزان انتقال حرارت منتقل شده تابعی از عدد رینولدز میباشد.
-1مقدمه
فروسیال در بسیاری از کاربردهای مهندسی دیده می شود و بسیاری از تحقیقات عددی و آزمایشگاهی در زمینه همرفت ترمو مغناطیسی فروسیالات در هندسه های مختلف در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی انجام شد. نتایج حاصل از این تحقیقات نشان می دهد که رفتار حرارتی سیالات مغناطیسی در یک محفظه وابسته به شدت میدان مغناطیسی خارجی و گرادیان دما است.
روبل - 2010 - 1 و همکارانش جریان همرفتی ترمو مغناطیسی سیال پارامغناطیس را در یک محفظه حلقوی با یک هسته میله گرد و یک دیوار بیرونی استوانه ای به صورت عددی و آزمایشگاهی مورد مطالعه قرار داده است. نتایج آنها نشان می دهد که نیروی مغناطیسی بر نرخ انتقال گرما تاثیر می گذارد و یک میدان مغناطیسی قوی می تواند همرفت مغناطیسی سیال پارا مغناطیس را کنترل کند .
سامبامورسی و همکارانش - 2008 - 2 آنالیز عددی بر روی جریان بین دو مجرای افقی با مقاطع مربعی و دایره ای با منبع حرارت درونی انجام داده است. آنها به این نتیجه رسیدند که می تواند گردابه های دو یا چهارتایی در الگوی جریان وجود داشته باشد. لاجوردی3 و همکارانش - 2010 - یک کار آزمایشگاهی روی انتقال گرمای همرفتی فروسیال با رژیم آرام در حضور میدان مغناطیسی جاری در یک لوله مسی گرم شده انجام داد و با استفاده از رده های مختلف میدان مغناطیسی افزایش قابل توجهی در انتقال فروسیال گزارش داده است.
امین فر و همکارانش - 2010 - به بررسی عددی 3D ویژگی های هیدرودینامیک همرفتی مخلوط و انتقال حرارتی آب دریای رسانای الکتریکی بر اساس جریان فروسیال جاری به سمت بالا در یک لوله عمودی مستطیل شکل تحت تاثیر میدان های مغناطیسی مختلف با استفاده از مدل مخلوط دو فاز پرداختند - مخلوط آب و ذرات نانو - .آنها تاثیر گرادیان صفر مثبت و منفی بر ناسلت و ضریب اصطکاک جریان را نشان دادند.
همچنین امین فر و همکارانش - 2011 - با تغییر میدان نغناطیسی ثابت در عرض میدان مغناطیسی غیر ثایت در عرض مجرا -میدان مغناطیسی حاصل از عبور سیمی در راستای مجرای مستطیلی که حامل جریان الکتریکی است به این نتیجه رسیدند که استفاده از میدان مغناطیسی مذکور عدد نوسلت و ضریب اصطکاک را افزایش میدهد و همچنین یک جفت گردابه ایجاد می کند که باعث افزایش انتقال حرارت و جلوگیری از رسوب نانو ذرات می شود . در این مقاله موارد ذیل در نظر گرفته شده است:
-1 جریان پایا است.
-2 از سیالات غیر نیوتنی برای شبیه سازی استفاده می شود.
-3 سیال و جریان تراکم ناپذیر بوده و از تغییرات چگالی صرف نظر می شود.
-4 شرط عدم لغزش در دیواره ها برقرار است
.-5 جاذبه در نظر گرفته می شود.
-6برای ضریب رسانش حرارتی از مدل همیلتون و کروسر استفاده شده است.
-2معادلات حاکم
در این شبیهسازی برای مدل سازی سیال غیرنیوتونی از مدل سیال غیرنیوتونی carreau استفاده شده است.
برای شبیهسازی سیال دوفازی از مدل مخلوط استفاده شده است. معادلات بقای جرم، مومنتم و انرژی استفاده شده است.
در معادله مومنتم، آخرین ترم طرف راست معادله مومنتم مربوط به نیروی حجمی کلوین میباشد که به علت میدان مغناطیسی به وجود آمده است.
برای به دست آوردن خواص مخلوط از خواص فاز ها میانگین گیری حجمی شده است.
از آنجایی که نیروی وارد بر فازهای مختلف فرق میکند، در نتیجه فازهای مختلف نسبت به یکدیگر دارای سرعت نسبی یا لغزشی میباشند که سرعت لغزشی که به واسطه نیروهای مغناطیسی به وجود میآید در محاسبات لحاظ شده است.
میدان مغناطیسی حاصل از سیم حامل جریان الکتریکی توسط رابطه زیر بیان میشود که دارای یک مولفه در راستای محور x و یک مولفه در راستای محور y می باشدکه شدت این میدان مغناطیسی با جریان الکتریکی رابطه مستقیم دارد و با فاصله رابطه عکس دارد.
متغیرهای بی بعد استفاده شده در این مقاله شامل عدد پرانتل، عدد مغناطیسی میباشد.
-3مراحل انجام شبیه سازی و تنظیمات نرمافزاری
-1-3 ترسیم هندسه
شکل هندسی کانال با مقطع مربعی در نرم افزار Design Modeler رسم گردیده است. کانال به صورت عمودی و با ابعاد 2×2×20 سانتیمتر در نظر گرفته شده است.
-2-3 تولید شبکه محاسباتی
-3-3 تنظیمات نرمافزار فلوئنت
-1-3-3 انتخاب حل کننده
شبیهسازی به صورت سه بعدی و پایا انجام می شود. با توجه به ماهیت مسئله، از حلگر Pressure-Based استفاده می شود. اینگونه حلگر برای جریانهای تراکم ناپذیر به کار میرود و از آنجایی که سرعت جریان و عدد ماخ در این مسئله بسیار پایین میباشد، این حلگر بسیار مناسب است.
-2-3-3 انتخاب مدل چند فازی مخلوط -3-3-3 وارد کردن اطلاعات ماده فاز جامد و مایع
نانوسیال مورد استفاده مخلوطی از سیال غیرنیوتونی Water Liquid و ذرات Fe3O4 میباشد. خواص سیال غیرنیوتونی و پارامترهای مدل غیرنیوتونی Carreau در جدول - 1 - آورده شده است
