بخشی از مقاله
چکیده
این مقاله با هدف بررسی تغییر قطر و نسبت حجم نانو ذرات CuO بر ویژگیهای انتقال حرارت جت دوبعدی برخوردی به یک صفحه آلومینیومی تخت صورت گرفته است. برای این منظور، ضریب انتقال حرارت جابجایی ناشی از برخورد نانوسیال حاوی ذرات اکسید مس به یک صفحه تخت، به صورت عددی بررسی شده است. تمام محاسبات و شبیه سازیها برای هر دو روش آب خالص و نانوسیال انجام پذیرفته تا مقایسه معناداری از میزان افزایش ضریب انتقال حرارت جابجایی جت برای هندسه مشابه، خواص فیزیکی و شرایط مرزی یکسان وجود داشته باشد.
روش گسسته سازی حجم محدود برای نانوذراتی با قطر متغیر از 7 تا 60 نانومتر، نسبت حجمی متغیر از 0 تا 5 درصد و عدد رینولدز در محدوده 1800 تا 2800 استفاده شده است. جت نانو سیال سرد به یک صفحه گرم تحت شار حرارتی ثابت برخورد کرده و سپس آن را ترک میکند.
با توجه به نتایج، نانوذرات اکسید مس باعث افزایش قابل توجهی ضریب انتقال حرارت در مقایسه با آب خالص میشود. همچنین با افزایش عدد رینولدز و نسبت حجم نانو ذرات، ضریب انتقال حرارت روی سطح نیز بالا رفته در حالی که قطر نانوذرات کوچکتر موجب سریع تر شدن نرخ انتقال گرما میشود. نتایج روش عددی مورد استفاده با برخی از دادههای تجربی موجود مقایسه شده که تطابق خوبی را نشان میدهد.
-1 مقدمه
در بسیاری از کاربردهای صنعتی، از جت سیال به طور گستردهای برای خنک کاری قطعات در معرض دما یا شار حرارتی بالا به دلیل مزایای آن در حذف موثر انرژی حرارتی و تطابق آسان برای کاربردهای مورد نیاز در فرآیند خنک کاری مورد استفاده قرار گرفته است. در دهه گذشته، بسیاری از محققان تلاشهای خود را برای افزایش قابلیت انتقال حرارت با استفاده از فناوریهای جدید در فناوری نانو متمرکز کردهاند . در این راستا، جت سیال به طور گستردهای به عنوان یک روش کم هزینه و فنی موثر برای فرآیندهای خنک کاری مورد استفاده قرار میگیرد - مارتین - - 1977 و جمبوناتان - - 1992 - از جمله فلزکاری، خشک کردن کاغذ، خنک سازی شیشه، تولید ورقهای فلزی، خنک کردن توربینهای گاز، تراشههای الکترونیکی خنک کننده، سلولهای فتوولتائیک، موتورهای احتراق داخلی و غیره.
برخی از مطالعات عددی و تجربی توسط ویسکانتا - 1993 - و لینهارد و هادلر - - 1999 انجام پذیرفته تا یک پایگاه اطلاعاتی حاوی مزایای حرارتی انواع مختلف جت برخوردی به صفحات و قابلیت خنک کاری آنها ایجاد نماید. گارگ و جیاراج - 1988 - به طور تئوری یک جت دوبعدی شکافی از جریان سیال برخوردی به یک صفحه تخت در زاویههای برخورد مختلف را تحلیل کردهاند. معادلات حاکم، با استفاده از روش حجم محدود و مدلسازی توربولانسی حل شدهاند. تأثیر زاویه برخورد بر پروفیل سرعت و دما مورد بررسی قرار گرفته است. آنها نشان دادند که در محل نقطه سکون عدد ناسلت محلی، توزیع سرعت و ضریب اصطکاک سطح به طور قابل توجهی افزایش مییابد .
یک تحقیق جامع آزمایشگاهی توسط چوی و همکاران - 2000 - انجام شده است. آنها از یک جت سرد برخوردی به یک صفحه پلاستیکی نیمه دایرهای برای نشان دادن ساختار جریان و ویژگیهای انتقال حرارت استفاده کردند. در محدوده وسیعی از عدد رینولدز و فاصله جت به صفحه مطالعه آنها صورت پذیرفت.
هافمن و همکاران - 2007 - بطور آزمایشگاهی به مطالعه یک جت نوسانی پرداختند. تأثیر پالسهای نوسان جت بر ساختار جریان و ویژگیهای انتقال حرارت بررسی شد. آنها کاهش انتقال حرارت %50 را در محل نقطه سکون به واسطه دور شدن جت از صفحه پیدا کردند. بررسیهای جامع در خصوص جتهای مایع و قابلیت ها، محدودیتها و ویژگیهای انتقال حرارتی آنها توسط مولانا و بانونی - 2013 - انجام شده است. برخی از همبستگیهای موجود و مهم که توسط محققان دیگر برای عدد ناسلت پیشنهاد شدهاند نیز توسط آنها گرد آوری شده است.
در دهههای اخیر پیشرفتهای قابل توجهای در فرآیندهای شیمیایی جهت تولید نانوذرات شده است که به نوبه خود موجب ایجاد نوع جدیدی از محصولات مهندسی به نام نانوسیالات شده است - لی و چوی - 1996 - ، وانگ و همکاران . - - 2008 - قراسیم و همکاران - 2011 - تواناییهای افزایش انتقال حرارت بکمک نانوذرات Al2O3 معلق در آب را توسط یک جت به صورت عددی بررسی کردند. جریان سیال غیرقابل تراکم، پایا و آرام بطور عددی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. آنها دریافتند که تعداد عدد ناسلت متوسط با افرایش درصد حجمی نانو ذرات و همچنین عدد رینولدز افزایش یافته و همچنین با افزایش فاصله جت به صفحه کاهش مییابد. نافون و ناخارینتر - 2012 - تأثیر عدد رینولدز، درجه حرارت ورودی و شار حرارت را بر ضریب انتقال حرارت جابجایی اجباری نانوذرات TiO2در سیال پایه آب را مطالعه کردند. آنها نشان دادند که میانگین ضریب انتقال حرارت برای نانوذرات به عنوان یک مایع خنک کننده بالاتر از آب خالص است.
یوسفی و همکاران 2012 - و - 2013 یک جت با سطح مقطع دایرهای برخوردی به یک دیسک دایرهای و همچنین یک جت صفحهای برخوردی به سطح V شکل حاوی نا ذرات Al2O3 مطالعه کردند. دادههای تجربی آنها نشان از افزایش ضریب انتقال حرارت در نسبتهای حجم پایین دارد. آنها در محدوده وسیعی از سرعت متوسط ورودی و زاویه برخورد آزمایشهای خود را پیش بردند.
-2 تعریف مسأله، معادلات حاکم و مطالعه استقلال شبکه
در این مقاله فرض شده است که جریان جت برخوردی برای هر سه مورد بهصورت دو بعدی متقارن باشد. همچنین فرض شده که در تمامی موارد جریان جت بهصورت تراکم ناپذیر و پایا باشد. صفحه برخوردی از جنس آلومینیومی،کاملاً صیقلی و ساکن میباشد. همچنین در تمامی موارد فرض میشود که شار حرارتی ثابتی معادل با 57693/3 W/m2 بر صفحه برخوردی اعمال میگردد. پهنای جت نانو سیال ثابت و برابر با 1/6 میلیمتر میباشد. ضخامت صفحه برخوردی برای تمامی موارد 0/2 میلیمتر بوده و همچنین فاصله نسبی جت تا صفحه برخورد ثابت و برابر با 70 میلیمتر میباشد. سایر ابعاد و مقیاسها بهطور جداگانه برای هر مورد بهطور جداگانه معرفی خواهند شد.
شکل شماتیک هندسه جریان جت توربولانس بر روی صفحه تخت در شکل 1 نشان داده شده است. در این شکل طول صفحه برخوردی بوده و برابر با 260 میلیمتر میباشد. همانطور که از شکل 1 مشاهده میشود جریان جت توسط دو صفحه آدیاباتیک در بالا محدود شده است. جریان جت بعد از برخورد به صفحه به طرفین منحرف شده و با فرض شرط مرزی فشار خروجی، از طرفین خارج میشوند. فاصله نسبی جت تا صفحه برخورد ثابت و برابر با 70 میلیمتر میباشد.
شکل 1 هندسه و شرایط مرزی جت برخوردی به صفحه تخت.
همچنین برای تحلیل و بررسی عددی این مبدل حرارتی، معادلات حاکم بر جریان سیال و انتقال حرارت بایستی گسسته سازی عددی و سپس شبیه سازی شوند. بدین وسیله توزیع حرارت و سرعت درون مبدل به دست خواهد آمد. برای به دست آوردن توزیع سرعت در یک جریان سیال میبایستی معادلات ناویر-استوکس شامل معادلهی پیوستگی و پایستگی مومنتوم حل شوند. بعلاوه بررسی انتقال حرارت و توزیع دما نیز با حل معادلهی انرژی میسر میشود. این معادلات عبارتند از:
که در این معادلات، ρm چگالی جرمی سیال، V سرعت سیال، p فشار استاتیکی و μ ضریب ویسکوزیته دینامیکی سیال، T دمای سیال، ظرفیت حرارتی سیال و k رسانش حرارتی سیال میباشد.
به منظور انتخاب شبکهای مناسب با تعداد بهینهی سلولها، مطالعهای بر روی شبکه صورت گرفته است. در این فرآیند ابتدا شبکهای خشن با تعداد سلولهای کم در نظر گرفته شده است. سپس عدد ناسلت محلی بر روی صفحه برخورد بدست میآید. در ادامه، طی چند مرحله تعداد سلولهای شبکه افزایش داده شده و عدد ناسلت بر روی صفحه برخورد در هر مرحله ترسیم گردید.
در اینجا برای بررسی استقلال شبکه از حل، از یک جت توربولانس با عدد رینولدز 1803 برای چهار شبکه با ابعاد مختلف استفاده شده است و تأثیر تعداد سلولها بر حل را با استفاده از عدد ناست بررسی شد که در شکل 2 آورده شده است. جهت مدلسازی تلاطم از مدل دو معادلهای k- استفاده شده است. ملاحظه میگردد که با افزایش تعداد سلولها از 22800 به 24375 توزیع عدد ناسلت بر روی دیواره برخورد تغییر چندانی نمییابد، لذا شبکه با تعداد سلولهای 22800 بهعنوان شبکه بهینه برای شبیهسازی پیکربندی جت برخوردی بر روی صفحه تخت در نظر گفته شده است.
