بخشی از مقاله
چکیده:در این پژوهش انتقال حرارت جابجایی اجباری جریان نانوسیال در لوله ی افقی با مقطع چهار وجهی و با زانویی 180 درجه تحت شار حرارتی به روش عددی بررسی شده است . از نانو سیال همگن ذرات اکسید آلومینیوم و آب - - Al2O3 به عنوان سیال عامل استفاده شده است. برای حل عددی معادلات پیوستگی،مومنتوم و انرژی از روش حجم محدود استفاده شده است. در این مطالعه به بررسی تاثیر عدد رینولدز و کسر حجمی ذرات جامد و اثر سطح زانویی بر میدان جریان و میزان انتقال حرارت و افت فشار پرداخته شده است. نتایج در قالب کانتورهای جریان و دما و همچنین نمودارهای ناسلت ارائه گردید است که تطابق خوبی با نتایج تجربی دارند و نشان می دهد که با افزایش کسر حجمی ذرات جامد و عدد رینولدز انتقال حرارت درون زانویی افزایش می یابد. همچنین سطح مقعر از داخل لوله تاثیر بیشتری در انتقال حرارت نسبت به سطح محدب ایفا می کند.
.1مقدمه
بدون شک علم انتقال حرارت یکی از مهمترین و پرکاربردترین علوم مهندسی است که با توجه به مسئله بحران انرژی و لزوم صرفهجویی در مصرف سوخت اهمیت آن چند برابر می شود. هدایت حرارتی پایین سیالات گرمایی متداول همچون آب، روغنها و ... باعث کاهش راندمان تجهیزات حرارتی می شود، فناوری نوپای نانو تکنولوژی در این زمان به یاری دانشمندان آمده تا سیستم های با ظرفیت بالای انتقال حرارتی به نام نانوسیال را معرفی کنند. براساس اصل بالاتر بودن ضریب هدایت حرارتی فلزات نسبت به سیالات، مخلوط نانوذرات فلزی معلق در نانو سیال جهت افزایش قابلیت هدایت حرارتی سیالات و صرفه جویی در مصرف انرژی کانون مطالعات نانومکانیک قرار گرفته است.
در اینجا از میان تحقیقات فراوان انجام شده بر روی این جریان ها به چند مورد اشاره می شود. از نخستین بررسی های تئوری روی لوله خمیده می توان به تحقیقات آقای دین [1] در سال 1927 اشاره کرد. وی نشان داد که دینامیک جریان در خم به پارامتر بی بعد دین بستگی دارد که در حقیقت نسبت نیروهای اینرسی و گریز از مرکز به نیروی ویسکوز است. انیتو همکاران [2] در یک زانویی 90 درجه با مقطع مربعی و نسبت شعاع به عرض مجرای 7 به وسیله لیزر داپلر سرعت را به دست آوردند.
آنها کانتور سرعت را در زوایای مختلف زانویی در مقطع لوله رسم کردند و متناظر با رینولدز، سرعت متوسط، شدت اغتشاشات و تنش برشی را برای پیش بینی جریان به صورت نمودار ارائه دادند و نتایج به دست آمده به عنوان پایه و اساس مدل های اغتشاش و نرم افزارهای کامپیوتری قرار گرفت.محمد بواتابا و همکاران [3] به شبیه سازی عددی سه بعدی جریان های ثانویه در جریان در حال توسعه و سیال نیوتنی و ویسکوالاستیک در یک مجرای منحنی با سطح مقطع مربعی پرداختند.
شبیه سازی را برای سه عدد دین مختلف و با استفاده از یک حجم محدود گسسته و یک دستگاه مختصات متعامد انجام دادند و نشان دادند که در هر دو مورد سیال نیوتنی و غیر نیوتنی اندازه و تعداد گردابه ها به عدد دین بستگی دارد و طول توسعه یافتگی با افزایش عدد دین کاهش می یابد. ویسکوزیته نیز بر جریان های ثانویه اثر می گذارد و نرخ رشد گردابه ها در سیال ویسکوالاستیک بیشتر از سیال نیوتنی است. تاوفیک و همکاران [4] در یک آزمایشگاه تجربی با بررسی ویژگی های دو نانو سیال آب و و آب و CuO در جریان آرام درون یک لوله مربعی شکل از جنس مس پرداختند و به این نتیجه رسیدند که افزایش انتقال حرارت قابل توجهی در هر دو نانو سیال نسبت به سیال پایه وجود دارد، با این حال نانو سیال CuO انتقال حرارت بهتری نسبت به نانو سیال نشان می دهد.
ساسمیتو و همکاران [5] در مقاله خود به بررسی عددی انتقال حرارت با تغییر هندسه و ضریب هدایت حرارتی سیال پرداختند، هدف این مقاله افزایش انتقال حرارت با تغییر همزمان هندسه و نانو سیال در لوله با مقطع چهار وجهی است و دو نانو سیال آب و و آب و CuO مورد بررسی قرار گرفته اند و همچنین میزان انتقال حرارت از هندسه های مختلف مثل لوله مستقیم، لوله مارپیچ تخت، مارپیچ استوانه ای و مارپیچ مخروطی با هم مقایسه شده اند که نتیجه شد که انتقال حرارت از هندسه ی مارپیچ تخت بیشتر از بقیه است و همچنین افزایش 1 درصدی غلظت نانو سیال باعث افزایش قابل توجهی در انتقال حرارت می شود و افزایش ذرات جامد بیشتر از این توصیه نمی شود.
جانهونیانگ و همکاران [6] به صورت تجربی به مقایسه جریان آرام نانو سیال در لوله ی منحنی و لوله ی مستقیم پرداختند و نشان دادند که در لوله مستقیم، در اعداد رینولدز بالاتر غلظت ذرات بیشتر است در حالی که در لوله منحنی، در اعداد رینولدز بالاتر کاهش غلظت ذرات را داریم. به نظر می رسد که تاثیر خم در ثبات ذرات معلق با افزایش دادن عدد رینولدز افزایش می یابد و می توان نتیجه گرفت کهبا افزایش غلظت ذرات و کاهش انحنا می توان سیال را در اعداد رینولدز بالاتر نگه داشت.
دانشنگ و همکاران [7] به صورت تجربی انتقال حرارت همرفتی جریان نانو سیال داخل لوله مستقیم در جریان آرام را مورد بررسی قرار دادند و به نتایج زیر رسیدند: در جریان آرام استفاده نانو ذرات اکسید الومینیوم باعث افزایش انتقال حرارت جابه جایی می شود و همچنین با افزایش عدد رینولدز انتقال حرارت افزایش می یابد. این افزایش انتقال حرارت به ویژه در ناحیه ورودی قابل توجه است و با فاصله از محور کاهش می یابد و طول ناحیه توسعه یافته حرارتی در نانو سیال بیشتر از سیال پایه است و با افزایش غلظت ذرات افزایش می یابد.
جابجا شدن این ذرات باعث کاهش ویسکوزیته و کاهش ضخامت لایه مرزی حرارتی می شود که این عامل افزایش انتقال حرارت جابجایی را سبب می شود. علیرضا اکبری نیا و همکاران [8] جریان آرام سیال نانو درون لوله های افقی درحالت سه بعدی بادرنظرگرفتن اثرات دونیروی گریز ازمرکز و شناوری بااستفاده از روش حجم محدود شبیه سازی عددی کردند. که نتیجه پژوهش فوق نشان داد که افزایش نسبت حجمی ذرات جامد نانو بر روی سرعت محوری وضریب درگ اصطکاکی اثری ندارد.
افزودن ذرات جامدنانو باعث ا فزایش دمای سیال میشود و اثرمحسوسی بر روی جریان ثانویه ندارد همچنین سبب افزایش انتقال حرارت می شود.افزایش عددگراشهف جریان ثانویه ناشی از نیروی شناوری راافزایش می دهدبنابراین بهم خوردن تقارن موجوددربردارهای سرعت ثانویه وکانتورهای دمارا نتیجه می دهدو باعث کاهش عددناسلت می شود. با توجه به پیشینه پژوهش مجراهای منحنی شکل بامقطع چهار وجهی اغلب مورداستفاده درتاسیسات انرژی هستندکه به طورگسترده ای دردستگاه های صنعتی ازقبیل توربوماشینها، سیستمهای تبرید،تهویه مطبوع، مبدل های حرارتی و... استفاده میشوند.اما پژوهش های کمتری در این زمینه صورت گرفته است و از آنجاییکه دراین مقاطع افت فشاروانتقال حرارت اهمیت بسیار زیادی دارد بر آن شدیم تا در این پژوهش به بررسی جریان آرام در یک زانویی 180 درجه با مقطع چهار وجهی بپردازیم.
.2بیان مسئله
شکل1، ناحیه محاسباتی شامل لوله منحنی با زاویه محوری بین 0 تا 180 درجه تحت شار حرارتی ثابت دیواره را نشان می دهد. زاویه انحنای لوله به شعاع و سطح مقطع لوله چهار وجهی به ضلع h است که در لوله نانوسیال آب و اکسید آلومینیوم بطور آرام و دایم با سرعت و دمای ثابت در ورودی در جریان است. در این شکل L=300mm ، h=80mm و در نظر گرفته شده است. شبکه ساختار یافته غیر یکنواخت نشان داده شده در شکل 2، برای گسسته سازی ناحیه محاسباتی ایجاد شده است. در نزدیکی دیواره به دلیل گرادیان بالای سرعت و دما شبکه ریزتر در نظر گرفته شده است. حساسیت شبکه با تغییر تعداد گره در جهات مختلف بررسی شده است.
.3معادلات اساسی حاکم بر جریان نانو سیال
در این مطالعه فرض شده است که نانوسیال همانند سیال همگن رفتار می کند و جریان لایه مرزی آرام وپایدار است [9] و نشان داده شده است که نانو سیالات مانند سیالات تک فازی عمل می کنند.[10] تولید انرژی صفر در نظر گرفته می شود و از آنجایی که اندازه ذرات نانو بسیار× کوچک است منطقی به نظر می رسد که مخلوط بتواند به آسانی در لوله بصورت همگن جریان پیدا کند بنابراین می توان حرکت لغزشی بین فازها را نادیده گرفت نانوسیال را بعنوان یک محیط پیوسته با تعادل گرمایی بین سیال پایه و ذرات جامد در نظر می گیریم.. فرض شده است که سیال نانو غیر قابل تراکم با خواص فیزیکی ثابت است که همه ی خواص بر طبق دمای ورودی سیال به عنوان مرجع محاسبه می شوند.
