بخشی از مقاله
چکیده
در کار حاضر با استفاده از روش شبیهسازی توسط نرمافزارAnsys 15.0 مقدار انتقال حرارت از یک راهگاه خنک کاری موتور احتراق داخلی درسرعتهای مختلف ورودی در دو حالت،سیال آب و سیال خنک کننده پایه آب و نانوذرات اکسید مس محاسبه شده است . مسئله در حالتپایا در مقادیر مختلف شرایط مرزی ورودی مورد بررسی قرا گرفته است به منظور افزایش نرخ انتقال حرارت از منبع گرما به سیال، از سرعتهای0/1 m.s-1 ،0/5 0/3برای شرایط ورودی سیال و استفاده از کسرهای مختلف حجمی نانوذره استفاده شده است. نتایج نشان میدهد که افزایش سرعت نقش بهینهای در امرانتقال حرارت جابجایی ایفاءمیکند. بهعلاوه افزودن کسرحجمی نانوذرات به سیال پایه موجب افزایش ضریب هدایت گرمایی شده واین عامل تأثیرمستقیمی برضریب انتقال حرارت جابجایی میگذارد.
مقدمه
نصب تجهیزات و لوازم پیشرفته بر روی سیستم خنک کاری موتورهای احتراق داخلی از پیچیدگی خاصی برخوردار می باشد. درخودروهای حملونقل و موتورهای وسایل دریایی ازجمله موتورهای قایقهای تندرو و کشتیها این پیچیدگی بطور ویژه مشهود است. لذا به منظور بهبود سیستم خنک کاری و کمک به مهندسان طراح وسایل نقلیه زمینی و دریایی نیاز جدی به نرمافزارهای شبیهسازی به منظوربررسی عملکرد سیستم خنک کاری احساس میشود.
همچنین از آنجائی که ساخت قطعات و آزمایش آنها با هزینه و صرف وقت زیاد همراه است، استفاده از مزیت نرمافزارهای شبیهساز همچون ارزان بودن قیمت تمامشده قطعه، صرفهجویی در وقت، هزینه و امکان ارزیابی پارامترهای مختلف در شبیهسازی که امکان اندازهگیری آنها در محیط واقعی وجود ندارد، ضروری به نظر میرسد. سیستم خنک کننده موتور در حالت کلی به دو دسته تقسیم میشود.
دسته اول، سیستم خنک کننده مستقیم است که کلیه سیستم با هوا خنک شده و دسته دوم سیستم خنک کننده غیر مستقیم است که کلیه دستگاه با آب خنک شده و دارای رادیاتور است. خصوصیت یک سیستم خنک کننده، کاهش دمای آب و کشیدن جریان هوا و خنک کردن آب رادیاتور است. سیستمهای خنک کننده را از نظر تحت فشار بودن و یا بدون فشار بودن میتوان به دو نوع مدار بسته و مدار باز تقسیم نمود.
یکی از مسائلی که امروزه در فرایندهای انتقال حرارت مطرح میشود، لزوم افزایش قابلتوجه نرخ انتقال حرارت و کوچکسازی تجهیزات انتقال حرارت است. منابع بسیار زیادی در مورد روشهای افزایش انتقال حرارت در سیستمها گزارشاتی دادهاند[8-1] فرایند تولید ذرات در حد نانومتر را باید انقلابی در افزایش انتقال حرارت دانست. چوی [9] اولین کسی بود که سوسپانسیون پودرهای نانو را در سیالات بهعنوان نانوسیال نامید و خصوصیات برجسته این سیالات را مطرح کرد. بسیاری از محققان در سالهای گذشته، مطالعات تجربی برای بهکارگیری نانوسیالات در سیستم خنک کاری موتورهای وسایل نقلیه انجام دادهاند.
ایستمن [10] بصورت آزمایشگاهی نشان داد که با افزایش%5 از ذرات اکسید مس درون آب، هدایت حرارتی آن را %60 افزایش میدهد. به منظور اندازهگیری عملکرد حرارتی سیال در حضور نانوذرات اکسیدهای فلزی، لی و همکاران [11] از تکنیک سیم داغ استفاده کرده و ضریب حرارتی نانوسیالات آب پایه همراه با نانوذرات اکسید آلومینیوم و اکسید مس را به دست آوردند که نتایج تطابق خوبی با مدل هدایت حرارتی همیلتون و کروزر داشت. با تکنیک مشابه، لی و همکاران [12] ضریب حرارتی این نانوذرات را با سیال پایه اتیلن گلیکول اندازهگیری کردند. وانگ و همکاران [13] یک مرور جامع بر روی اثر پارامترهای مختلف نانوسیال بر ضریب هدایت حرارتی نانوسیالات انجام دادهاند.
آزمایشات تجربی به منظور بررسی عملکرد نانوسیالات در یک موتور واقعی توسط تنگ و همکاران [14] انجام شده است. آنها با افزودن اکسید مس و اکسید آلومینیوم در روغن، دریافتند که در موتورهای 4WD ساخت شرکت مزدا، اکسید مس با کمترین هزینه بهترین انتقال حرارت را دارد. همچنین ژانگ و همکاران [ 15] دریافتند که افزودن %3 نانوسیال آب- اکسید مس %15 ظرفیت حرارتی را در موتور افزایش میدهد.
علی و همکاران [16] با افزودن %1 از نانوذرات اکسید مس، افزایش %9 عدد ناسلت را گزارش کرد. حسین و همکاران [19 - 17] همچنین مطالعه جامعی بر اثر نانوسیالات آب پایه اکسید مس و اکسید تیتانیوم برای بهبود %30 انتقال حرارت و 22/5 %عدد ناسلت در موتور انجام دادند. از آنجایی که به جز ابعاد هندسه، اساس کار و هندسه اکثر موتورهای احتراق داخلی شبیه به هم میباشد،
هندسه مورد بررسی
در کار حاضر با انتخاب ابعاد یک سیلندر موتور احتراق داخلی از مرجع[19] به شبیهسازی جریان نانوسیال داخل آن پرداخته میشود و اثر استفاده از نانوسیال بر روی پارامترهای مؤثر از جمله ضریب انتقال حرارت مورد آزمایش قرار میگیرد.در این تحقیق یک هندسه با ابعاد مشخص در شکل1 مورد بررسی قرار گرفته است. هندسه به صورت سه بعدی و توسط نرمافزار صنعتیSolidWorks رسم شده است و همچنین فایل خروجی داخل نرمافزار Ansys 15.0 وارد شده و تحلیل عددی روی آن صورت گرفته است. به منظور شبیهسازی عددی انتقال حرارت داخل سیلندر، شرایط مرزی مناسب بایستی تعریف شوند. به این منظور، دمای ورودی سیال خنک کننده300 کلوین در نظر گرفته شده است. با توجه به فیزیک جریان، شدت توربولانس برابر با %5 در نظر گرفته شده است.
اثرگذاری سرعت و عدد رینولدز بر انتقال حرارت
در این پزوهش به بررسی انتقال حرارت جابجایی و پارامترهای مؤثر بر افزایش نرخ آن پرداخته میشود. مسئله حاضر در سه سرعت ورودی0/1 و0/3 و0/5متر بر ثانیه برای کسر های حجمی مختلف برای مورد آزمایش قرار گرفته است.
