بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق میدان دما، تغییرات ضریب انتقال حرارت جابه جایی و تغییرات عدد ناسلت برای نانو ذرات اکسید مس در یک سیال پایه غیر نیوتنی در لوله ی مجهز به نوار پیچ خورده شبیه سازی شده است. حل دقیق جریان آرام سیال غیرنیوتونی با استفاده از الگوریتم عددی فشرده ضمنی صورت گرفته است. نظر به اینکه مدل توانی یکی از پرکاربردترین و مهم ترین مدل ها در تخمین رفتار سیالات غیر نیوتونی است، بنابراین در این تحقیق، برای مدل کردن سیال غیر نیوتونی از مدل توانی استفاده شده است.
با استفاده از نرمافزار FLUENT، معادلات بقای جرم، بقای مومنتم و بقای انرژی برای جریان آرام سیال پایه غیرنیوتنی محلول آبی 0/5 درصد وزنی کربوکسی متیل سلولز حاوی نانو ذرات اکسید مس حل شده است. میدان دمای نانوسیال ها و نمودار تغییرات ضریب انتقال حرارت جا به جایی به دست آمدهاند.
همچنین اثرات افزایش غلظت سیال غیرنیوتنی محلول آبی 0/5 درصد وزنی کربوکسی متیل سلولز و عدد رینولدز بر نتایج بررسی شده اند که بیانگر افزایش ضریب انتقال حرارت جابه جایی و عدد ناسلت با استفاده از نانوسیال غیرنیوتنی نسبت به سیال غیرنیوتنی پایه است. یک رابطه مستقیم بین این افزایش با غلظت سیال غیرنیوتنی و عدد رینولدز وجود دارد.
-1 مقدمه
کاربرد وسیع انتقال حرارت در صنایع گوناگون سبب شده است که افزایش راندمان دستگاههای گرمایی در اولویت طراحان واحد های صنعتی قرار گیرد. تلاشهای زیاد محققان در سال های گذشته جهت افزایش انتقال حرارت به ابداع روشهای مختلف در این راستا منجر شده است. افزایش راندمان و بهبود عملکرد دستگاه های گرمایی از یکسو سبب صرفهجویی در انرژی شده و از طرف دیگر میتواند کوچک شدن ابعاد دستگاه را به دنبال داشته باشد. متاسفانه بسیاری از روش های مذکور با ازدیاد سطح در واحد حجم دستگاه امکانپذیر است که این مسئله سبب افزایش افت فشار می شود و با توجه به نیاز به پمپ قوی تر هزینه لازم جهت انتقال سیال بیشتر می شود.
نانوتکنولوژی فعالیت در دنیایی با مقیاس نانومتر است. یکی از زمینه های فعالیت این فناوری جدید تولید ذرات با ابعاد نانومتر - نانوذرات - است . بنا بر برخی تعاریف ابعاد نانوذره در حدود 1 تا 100 نانومتر است. نانوذرات انواع فلزی، اکسیدهای فلزی، عایق ها و نیمه هادی ها و نانوذرات ترکیبی نظیر ساختارهای هسته لایه را در بر می گیرند. باید خاطرنشان ساخت که نانولوله های کربنی را نیز از اعضاء این خانواده می-توان به شمار آورد.
نانوذرات دارای خواص منحصربهفردی هستند که آنها را از مواد توده ای با ابعاد معمولی و بزرگ متمایز میسازد. این خواص منحصربهفرد موجب پیدایش پتانسیل های فراوانی برای کاربرد این مواد شده است. از دامنه های کاربرد آنها به سیستم های بیولوژیکی، پزشکی، توزیع دارو در بدن، کاتالیست، سرامیک، الکترونیک و مغناطیس و محیطزیست و انرژی می توان اشاره کرد. نانوسیال که از مخلوط کردن نانوذرات در یک سیال پایه حاصل میشود، ازجمله کاربردهای مهم نانوذرات است.
پیشرفت در فناوری نانو در دو دهه اخیر و استفاده از نانوسیال بهعنوان محیط جدید و مناسبی برای انتقال حرارت افق جدیدی را فرا روی پژوهشگران ایجاد کرده است. ازآنجاکه محیط های سیال انتقال حرارت در صنایع از قبیل آب، اتیلن گلیکول و روغن از ضریب هدایت گرمایی کمی در مقایسه با فلزات و اکسید-های فلزی برخوردارند، می توان با افزودن مواد جامد با مشخصه های گرمایی بهتر عملکرد گرمایی سیالات بالا را بهبود بخشید. بحث افزودن ذرات جامد با اندازه میکرو به سیالات پایه از ده ها سال قبل مطرح شده است ولی ازآنجاکه سوسپانسیون حاصل به سرعت تهنشین می شود گرفتگی معابر و لوله های عبوری را در پی دارد.
از طرف دیگر وجود ذرات با اندازه میکرو سبب سایش جداره لوله ها شده و به پمپ ها و وسایل انتقال نیز آسیب جدی وارد می کند. در نانوسیالات به دلیل وجود ذرات با اندازه نانو در داخل سیال پایه مشکلات مربوط به ته نشینی، گرفتگی لوله ها و سایش کاهش قابلملاحظهای خواهد داشت.
از مزیت های نانوسیالات افزایش شدید ضریب هدایت گرمایی و همچنین ضریب جابه جایی انتقال حرارت بدون افزایش قابلتوجه در افت فشار می باشد.همانگونه که میدانیم، سیال نیوتنی، مادهای است که در آن تنش برشی بدون وجود تنش تسلیم - صفر بودن تنش برشی در نرخ برش صفر - فقط تابعی خطی از نرخ برش است. بر این اساس سیال غیر نیوتنی را میتوان بهسادگی بهصورت سیالی که فاقد رفتار نیوتنی است، تعریف کرد. بهطورکلی سیالات غیر نیوتنی به خانوادههای متعددی دستهبندی میشوند. این خانوادهها عبارتاند از
- سیالات غیر نیوتنی مستقل از زمان
- سیالات غیر نیوتنی وابسته به زمان
- سیالات ویسکوالاستیک
سیالات غیر نیوتنی مستقل از زمان سیالاتی هستند که در آنها تنش برشی فقط تابعی غیرخطی از نرخ برش است. بهعبارتدیگر در این سیالات لزجت تابعی از نرخ برش است. این سیالات به دو دسته کلی سیالاتی دارا و فاقد تنش تسلیم تقسیم میشوند. در موادی که دارای تنش تسلیم هستند شرط جریان ماده، رسیدن تنش به حد مشخصی برای شروع سیلان آن است.
برای مثال خمیردندان مثال بسیار مناسبی برای این مواد است بهنحوی که تا زمانی که میزان فشردگی پوسته آن به حد مشخصی نرسد، خمیردندان از آن خارج نمیشود. علت این رفتار فیزیکی معمولا به ساختمان سه بعدی ماده نسبت داده میشود. ساختمان این مواد قادر است که تنش برشی کمتر از حد تسلیم را بدون ایجاد جریان تحمل نماید ولی پس از آن، ساختمان داخلی شکسته شده و ماده اجازه حرکت برشی را پیدا میکند.
تصور میشود که ساختمان داخلی ماده پس از کاهش تنش به مقدار کمتر از تسلیم دوباره ترمیم میشود. معروفترین این دسته از مواد، پلاستیک بینگهام است. در واقع پلاستیک بینگهام یک سیال نیوتنی دارای تنش تسلیم است - لزجت آن ثابت است - . نمونههایی از سیالات دارای تنش تسلیم عبارتاند از: برخی پلاستیکهای مذاب، گل حفاری چاه نفت، مخلوط آب و شن، دوغابهای گچ و ماسه، شکلات مایع، کرمهای طبی، خمیردندان، بتن تازه، مارگارین و گریسها.
سیالاتی که فاقد تنش تسلیم هستند، به دو دسته سیالات شبه پلاستیک و سیالات دایلاتنت تقسیم میشوند. این سیالات بهصورت سیالات نیوتنی تعمیمیافته نیز نامیده میشوند. تاکنون مدلهای متعددی بهعنوان قانون پایه برای این مواد ارائه شده است، اما پرکاربردترین و سادهترین مدل حاکم بر آنها مدل پاورلا - قاعده توانی - است که در آن تنش برشی تابعی از توان n ام نرخ برش است. یکی از اشکالات این مدل، پیشبینی لزجت صفر در نرخ برش بینهایت برای سیالات شبه پلاستیک است.
ازجمله مدلهایی که این مشکل مدل پاورلا را برطرف مینمایند به مدل کراس، مدل کاریو-یاسودا و راینر-فیلیپوف میتوان اشاره کرد. شایان ذکر است که با ازدیاد ثابتهای این مدلها رفتار وابستگی تنش به نرخ برش بهتر مدل میشود. در سیالات شبه پلاستیک، لزجت در نرخهای برش کوچک و بسیار زیاد تقریبا خطی است. شیب منحنی تنش در برابر نرخ کرنش در شدتهای برش زیاد، به لزجت در برش بینهایت و در شدتهای برش کم به لزجت در برش صفرموسوم است.
در این مواد، نرخ افزایش تنش در برابر شدت برش، مقداری منفی است - لزجت تابعی نزولی از شدت برش است - . بهعبارتدیگر چنانچه از مدل پاورلا بهعنوان قانون پایه برای مواد شبه پلاستیک استفاده شود، در این صورت n مقداری کوچکتر از یک خواهد بود.
سیالات شبه پلاستیک عموما در بین مواد زیر یافت میشوند: بسیاری از مواد با وزن ملکولی بالا، بسیاری از سوسپانسیون-های دارای غلظت متوسط، محلولهای لاستیک طبیعی و مصنوعی، چسبها، سوسپانسیونهای آهار، استات سلولز، محلولهای مورد استفاده برای ساخت رایون، مایونز، بعضی مرکبهای چاپ و رنگها.
در سیالات دایلاتنت با افزایش شدت برش، لزجت سیال افزایش مییابد و چنانچه از مدل پاورلا بهعنوان قانون پایه برای آنها استفاده شود، در این صورت n مقداری بزرگتر از یک خواهد بود. در بین مواد زیر رفتار سیال دایلاتنت مشاهدهشده است: برخی سوسپانسیونهای آبی اکسید تیتانیوم، برخی محلولهای پودر ذرت-شکر، برخی محلولهای بوراکس-صمغ عربی، نشاسته، سیلیکات پتاسیم، شن مرطوب ساحل و بعضی رنگها.
2-1 مدل قاعده توانی
کاربردیترین شکل معادله مربوط به سیالات غیر نیوتنی، مدل پاورلا یا قاعده توانی است. مدل قاعده توانی یکبعدی حاصل از برش ساده به صورت زیر است.
