دسته بندی علمی – پژوهشی : شبیه سازی عددی جریان جابه جایی اجباری نانوسیال غیرنیوتنی در میکرولوله- قسمت ۳۶

که Um سرعت جریان و ضریب پخش گرمایی نانوسیال است. Renf و Prnf اعداد پرانتل و رینولدز متداول هستند، ‌اما خواص ترموفیزیکی نانوسیال باید در محاسبات مربوطه به کار رود. C1 ، C2، m1 ، m2 و m3 ثابت‌های تجربی هستند که باید به‌وسیله نتایج آزمایشگاهی تعیین شوند.
تحلیل تئوریک دیگری در رابطه با انتقال حرارت نانوسیال به‌وسیله دینگ و ون[۱۱۵] [۶۳] انجام شده است. این محققان بر مهاجرت ذرات که بر اثر برش، تغییرات لزجت و حرکت براونی ایجاد شده، تمرکز نمودند. آن‌ها نشان دادند که نسبت حجمی ذره در جهت شعاعی درون جریان نانوسیال در یک لوله مدور، کاهش پیدا میکند، در نتیجه توزیع غیریکنواختی از خواص ترموفیزیکی در راستای شعاعی حاصل می‌شود. نشان داده شده که این تغییر خواص در راستای شعاعی، توزیع دما و سرعت در جریان را تغییر می‌دهد و این حقیقت به‌عنوان یک مکانیزم مؤثر در افزایش انتقال حرارت نانوسیالات پیشنهاد شد.
یک مسئله مهم در تحلیل نانوسیالات حرکت لغزشی بین نانوذرات و مولکول‌های سیال است. بونجیورنو[۱۱۶] [۶۴] اثر پراکندگی حرارتی را از طریق مورد توجه قرار دادن هفت مکانیزم لغزش تحلیل نمود و نشان داد که مکانیزم حرکت براونی در بین این مکانیزمها، غالب است. همچنین وی پیشنهاد کرد که حرکت لغزشی نانوذرات اثر مستقیمی روی انتقال دما در جریان ندارد اما بر مهاجرت ذره اثرگذار است. همچنین توزیع شعاعی خواص ترموفیزیکی در یک جریان به دلیل پدیده مهاجرت ذره تغییر می‌کند و تغییرات دما تغییرات ویژگی ترموفیزیکی در جریان را افزایش میدهند. نشان داده شد که این پدیده می‌تواند افزایش اضافی (فوق‌العاده) انتقال حرارت را در استفاده از نانوسیال توجیه نماید. بونجیورنو چهار معادله دیفرانسیل جزئی برای تحلیل انتقال حرارت نانوسیال با لحاظ نمودن مسئله دوفازی بودن جریان، ارائه کرد. معادلات مربوطه شامل معادله پیوستگی برای نانوذرات، معادله پیوستگی برای نانوسیال، معادله ممنتوم برای نانوسیال و معادله انرژی برای نانوسیال است.
مشابه با یافته‌های بونجیورنو، هوانگ و همکاران[۱۱۷] [۶۵] نیز نشان دادند که با تغییر در پروفیل سرعت توسعهیافته در یک لوله مدور که ناشی از تغییر لزجت در جهت شعاعی است، انتقال حرارت جابهجایی نانوسیالات افزایش می‌یابد. برای تحلیلی مناسب از انتقال حرارت نانوسیال، تخمین دقیق خواص ترموفیزیکی نانوسیال بسیار مهم است. به‌منظور تأکید بر اهمیت این مسئله منصور و همکاران[۱۱۸] [۶۶] اثر کاربرد روابط مختلف برای تعیین خواص ترموفیزیکی نانوسیال را بر نتایج تحلیل‌های حرارتی نانوسیالات مطالعه کردند. در انجام این تحلیل، شرط توسعه‌یافتگی برای هر دو جریان آرام و مغشوش آزمایش شد و نانوسیالات به‌عنوان سیالات تکفازی در نظر گرفته شده است. در این تحقیق تعاریف متفاوت موجود در مقالات که برای تعیین گرمای ویژه، لزجت دینامیکی و ضریب هدایت حرارتی استفاده می‌شوند، آورده و ناهمگونی بین آن‌ها تشریح شد. سپس تحلیل افت فشار و انتقال حرارت برای یک پیکربندی ساده، با به‌کارگیری دو مجموعه روابط متفاوت در تعیین خواص ترموفیزیکی یادشده، انجام شد. نتایج برای کسر حجمی‌های متفاوت تعیین شده و نشان داده شد که از به‌کارگیری روابط متفاوت، نتایج متفاوتی حاصل می‌شود. برای شرط جریان آرام، نتایج نه‌تنها از لحاظ کمی بلکه به لحاظ کیفی نیز متناقض بودند.
به‌عنوان نتیجه‌ای مهم از تحقیقاتی که در این فصل به‌طور خلاصه به آن‌ها اشاره شد، میتوان گفت که انتخاب روابط مناسب برای تعیین خواص ترموفیزیکی نانوسیال، یک مسئله کلیدی در تحلیل انتقال حرارت نانوسیال است. در توضیحات این بخش دیده شد که هر دو مدل تک‌فازی و دوفازی برای تحلیل انتقال حرارت نانوسیالات پیشنهاد شده است. تحلیل‌های عددی ابزاری مناسب به‌منظور بررسی صحت و اعتبارسنجی این مدل‌ها هستند. در نتیجه، محققان بسیاری عملکرد انتقال حرارت نانوسیالات را به‌طور عددی مورد تحقیق و بررسی قرار داده‌اند.
با توجه به آنچه بررسی شد مطالعات متعددی در زمینه انتقال حرارت جابهجایی در نانوسیالات و نقش نانوسیالات در بهبود فرآیند انتقال حرارت، به‌صورت عددی، آزمایشگاهی و تحلیلی صورت پذیرفته است. در هر کدام از این تحقیقات جنبه‌های مختلفی از نانوسیال از قبیل نوع سیال پایه، جنس نانوذرات، نوع رژیم جریان بررسی شده است. اما در تحقیق حاضر اثر استفاده از نانوذرات بر انتقال حرارت جابهجایی در سیالی غیرنیوتنی و در رژیم جریان مغشوش به‌طور همزمان مورد بررسی قرار می‌گیرد. در این تحقیق که به‌طور عددی و به کمک نرم‌افزار CFX انجام می‌شود. اثر غلظت ذرات و همچنین اثر اندازه ذرات و تاثیر عدد رینولدز بر ضریب انتقال حرارت جابهجایی نانوسیال بررسی می‌شود.
۲-۴ مطالعات عددی
لطفی و همکاران [۶۷] به مطالعه عددی انتقال حرارت اجباری نانوسیالات پرداختند. در این مطالعه انتقال حرارت اجباری نانوسیال آب و اکسید آلومینیوم در لوله افقی مورد بررسی عددی قرارگرفته است. در این مقاله برای اولین بار از مدل دوفازی اویلر استفاده شده است. نتایج بیانگر این است که مدل مخلوط دقیقتر است، همچنین اثر غلظت نانوذرات بر پارامترهای دیگر بررسی شده است.
نامبارو و همکاران [۶۸] مطالعه عددی روی جریان مغشوش و ویژگی‌های انتقال حرارت نانوسیالات با توجه به خواص متغیر انجام دادند. سه نانوسیال (اکسید آلومینیوم، اکسید مس و اکسید سیلیسیم) در مخلوط اتیلن گلیکول و آب درون لوله دایرهای در شرایط شار حرارتی ثابت مورد تجزیه‌وتحلیل عددی قرار گرفته است. عدد ناسلت پیش‌بینی شده برای نانوسیالات با رابطه گلینیسکی تطابق خوبی دارد. در رینولدز ثابت، عدد ناسلت برای غلظت ۶% اکسید مس، به اندازه ۳۵% نسبت به سیال پایه افزایش مییابد.
در تحقیقی دیگر که توسط حیدری و کرمانی [۶۹] انجام گرفت، اثر نانوذرات بر انتقال حرارت اجباری در کانال دارای دیواره سینوسی به‌صورت عددی مورد بررسی قرار گرفت. معادلات حاکم به روش حجم محدود و بر اساس الگوریتم سیمپل حل میشوند. اثرات پارامترهای رینولدز و غلظت نانوذرات، روی عدد ناسلت موضعی و ناسلت میانگین و همچنین ضریب اصطکاک پوسته‌ای بررسی میشود. نتایج بیانگر این است که برای افزایش انتقال حرارت علاوه بر استفاده از نانو ذرات میتوان از دیوارههای افقی آجدار استفاده کرد. این روش میتواند انتقال حرارت را تا ۵۰% بالا ببرد.
میرمعصومی و بهزادمهر [۷۰] طی تحقیقی اثر قطر متوسط نانوذرات را روی انتقال حرارت جابهجایی توأم نانوسیال در یک لوله افقی مورد بررسی و مطالعه قراردادند. در این مطالعه به‌صورت عددی و جابهجایی توأم کاملا توسعه‌یافته‌ی نانوسیال آب-اکسید آلومینیوم انجام گرفت. همچنین برای بررسی اثرات قطر متوسط نانوذرات در پارامترهای جریان از مدل دوفازی استفاده شده است. نتایج حاصل از این مقاله نمایانگر آن است که ضریب انتقال حرارت جابهجایی با کاهش قطر متوسط نانوذرات به میزان قابل‌توجهی افزایش مییابد، اما تغییر قابل‌توجهی روی پارامترهای هیدرودینامیکی نمیگذارد.
اکبری و همکاران [۷۱] جابه‌جایی کاملا توسعه یافته توأم را در لوله افقی و شیب‌دار با شار حرارتی یکنواخت با استفاده از نانوسیال مورد بررسی قراردادند. معادلات حاکم بیضوی سه‌بعدی برای بررسی رفتار جریان در یک طیف گستردهای از اعداد گراشف و رینولدز حل شده است. اثر غلظت نانوذرات و شیب لوله روی پارامترهای هیدرودینامیکی و حرارتی ارائه شده و مورد بحث قرار گرفته است. نتایج نشان داده که غلظت نانوذرات روی پارامترهای هیدرولیکی اثرات قابل‌توجهی نداشته و ضریب اصطکاک پوسته‌ای به‌صورت پیوسته با شیب لوله افزایش میابد اما ضریب انتقال حرارت ماکزیمم در زاویه ۴۵ درجه اتفاق میافتد.
اکبری و همکاران [۷۲] بررسی مقایسهای روی مدل‌های تک فازی و دو فازی برای انجام مطالعات عددی انتقال حرارت جابهجایی اجباری نانوسیال در رژیم مغشوش انجام دادهاند. در این تحقیق پیش‌بینی‌های عددی تک فاز و سه مدل دو فازی مختلف (حجم سیال، مخلوط و اویلر) جابهجایی اجباری مغشوش نانوسیال در لوله افقی با شار حرارتی یکنواخت با دو مجموعه متفاوت از داده‌های تجربی مورد بررسی قرار میگیرد. از مقایسه نتایج تک فازی و دو فازی میتوان این نتایج را گرفت که خواص، تطابق خوبی در هر دو مدل دارند و میتوان از مدل تک فاز استفاده نمود چون هم به حافظه و زمان کمتری نیاز دارد.
غفاری و همکاران [۷۳] با استفاده از روش دوفازی جابهجایی توأم مغشوش نانوسیال را در یک لوله خمیده به‌صورت عددی مورد بررسی قرار دارند. در این مطالعه اثر همزمان نیروی شناوری، نیروی گریز از مرکز و غلظت نانوذرات ارائه و مورد بحث قرار گرفته است. از نتایج مشاهده میشود که کسر حجمی نانوذرات نقش مستقیمی در جریان ثانویه و ضریب اصطکاک پوسته‌ای ندارد.
شریعت و همکاران [۷۴] مطالعه عددی در مورد انتقال حرارت جابهجایی توأم نانوسیال دوفازی تحت رژیم آرام در کانال بیضوی صورت گرفت. در این مقاله از مطالعات ناویراستوکس سه‌بعدی، انرژی استفاده شده که با استفاده از حجم محدود گسسته شدهاند. نتایج بیانگر این است که در رینولدز و ریچاردسون داده شده افزایش کسر حجمی غلظت نانوذرات عدد ناسلت را افزایش می‌دهد درحالی‌که ضریب اصطکاک پوسته‌ای کاهش مییابد. همچنین از نتایج برمیآید که افزایش نسبت ابعاد در لولههای بیضوی ضریب اصطکاک پوسته‌ای محلی را کاهش میدهد درحالی‌که هیچ اثر مشخصی در عدد ناسلت محلی ندارد.
مطالعه عددی انتقال حرارت جابهجایی اجباری نانوسیال در کانال طویل افقی تحت جریان مغشوش و با توجه به خواص متغیر توسط رستمانی، حسین زاده، گرجی و خدادادی [۷۵] انجام گرفت. نانوسیال مخلوطی از اکسید مس، اکسید آلومینیوم و اکسید تیتانیوم به‌عنوان نانوذرات و آب به‌عنوان سیال پایه در نظر گرفته شده است. عدد ناسلت حاصل شده از نتایج تطابق خوبی با رابطه گلینیسکی دارد. همچنین نتایج بیانگر این است که در غلظت حجمی و رینولدز ثابت، اثر نانوذرات اکسید مس به‌منظور افزایش عدد ناسلت بهتر از نانوذرات اکسید آلومینیوم و اکسید تیتانیوم است.
اسماعیل نژاد و همکاران [۷۶] به بررسی انتقال حرارت جابهجای اجباری آرام نانوسیال غیرنیوتنی در کانال مستطیلی پرداختند. در این بررسی از مدل مخلوط دوفازی استفاده کردند. رفتار جریان و عملکرد سرعت انتقال حرارت میکروکانال را با نگاه به اثر نانوذرات اکسید آلومینیوم، غلظت و عدد پکله بررسی کردهاند. نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که انتقال حرارت سیالات غیرنیوتنی به همراه نانوذرات در ناحیه ورودی افزایش قابل‌توجهی داشتهاند.
کشاورز و همکاران [۷۷] انتقال حرارت جابهجایی اجباری نانوسیال غیر نیوتنی در لوله افقی تحت شار حرارتی ثابت با دینامیک سیالات محاسباتی مدل‌سازی کردند. نانوسیال غیرنیوتنی شامل اکسید آلومینیوم و محلول آبی زانتان با متوسط اندازه ذرات ۴۵ و ۱۵۰ نانومتر و غلظت‌های ۱، ۲، ۴ و ۶ درصد وزنی و غلظت محلول آبی زانتان ۰٫۶ و ۱ درصد استفاده شده است. نتایج نشان میدهد که ضریب انتقال حرارت و عدد ناسلت نانوسیال غیرنیوتنی با افزایش غلظت محلول زانتان افزایش یافته است. با استفاده از نتایج مدل‌سازی معادلهای برای پیش‌بینی عدد ناسلت به دست آمد.
کلاته و همکاران [۷۸] انتقال حرارت اجباری آرام نانوسیال آب-مس در داخل میکروکانال گرم شده را به‌صورت عددی بررسی کردند. از مدل اویلری برای شبیه‌سازی جریان نانوسیال داخل میکروکانال و معادلات جرم، تکانه و انرژی برای دو فاز و روش حجم محدود استفاده کرده‌اند. نتایج بیانگر این است که افزایش انتقال حرارت مدل دوفازی بالاتر از افزایش انتقال حرارت مدل تکفازی است. همچنین انتقال حرارت با افزایش عدد رینولدز، افزایش غلظت نانوذرات و کاهش قطر نانوذرات افزایش مییابد.این در حالی است که افت فشار را به میزان کمی افزایش میدهد.
مانکا، ناردینی و ریسی [۷۹] بررسی عددی روی انتقال حرارت جابهجایی اجباری در کانال آجدار انجام دادهاند. در این مقاله اشکال مربع و مستطیل و اشکال مختلف دنده‌ها از نظر ارتفاع‌های مختلف مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است.
فصل سوم
روش تحقیق
۳-۱ مقدمه
تقاضای رو به رشد برای کوچک‌سازی محصولات در تمام بخش‌های صنعتی، افزایش سریع در تعداد ترانزیستورها بر روی تراشهها با توان بالا و در نتیجه شار حرارتی بالاتر باعث استفاده از میکروکانالها در صنایع شده است. در سوی دیگر، فناوری جدید نانوتکنولوژی این امکان را فراهم آورده تا بتوان ذراتی با اندازه بسیار کوچک نانومتری تولید و فرآوری کرد. مطالعات آزمایشگاهی نشان می‌دهند که افزایش انتقال حرارت جابهجایی نانوسیالات از مقدار قابل انتظار آن‌که به جهت افزایش در میزان هدایت گرمایی سیال است، تجاوز می‌نماید. در سال‌های اخیر مکانیزه‌ها و مدل‌های متعددی برای توجیه این افزایش بیش از انتظار در انتقال حرارت جابهجایی نانوسیالات پیشنهاد شده است. در حال حاضر برتری نسبی این مکانیزمها نسبت به یکدیگر، هنوز مورد بحث است و برای رسیدن به نتایج دقیق‌تر نیاز به مطالعات بیشتری است. صحت مکانیزم‌ها یا مدل‌های پیشنهادی نیز از طریق حل مسئله‌های انتقال حرارت با استفاده از این مدل‌ها و تحلیل و مقایسه نتایج با نتایج آزمایشگاهی قابل‌بررسی است. بنابراین تحلیل عددی ابزاری مهم در انجام چنین بررسی‌ها و مطالعاتی است. در این فصل ابتدا به تشریح مسئله، دامنه حل و هندسه موردنظر، فرضیات و مدل‌های به‌کاررفته برای جریان نانوسیال داخل میکروکانال پرداخته و سپس روند شبیه‌سازی و حل عددی معادلات بقا ارائه می‌شوند. در فصل بعد نیز نتایج این تحلیل عددی و جمع‌بندی آن‌ها ارائه خواهند شد.
۳-۲ تشریح مسئله
در این تحقیق رفتار انتقال حرارت جابهجایی نانوسیالات با استفاده از یک سیال غیرنیوتنی درون میکروکانال، تحت رژیم جریان درهم تحت شرط مرزی شار گرمایی ثابت روی دیواره‌ها، با استفاده از ابزار CFD و روش حجم محدود و بهره‌گیری از نرم‌افزار CFX مورد بررسی قرار می‌گیرد. از محلول آبی کربوکسی متیل سلولز (CMC) با غلظت وزنی ۵/۰% به‌عنوان سیال غیرنیوتنی پایه استفاده شده است. محلول کربوکسی متیل سلولز در آب سیالی غیرنیوتنی و شبه پلاستیک که در اکثر مقالات محققین در زمینه‌های سیالات غیرنیوتنی و نانوسیالات به‌عنوان سیال پایه مورداستفاده قرارگرفته است. بنابراین در راستای تحقیقات قبلی در این تحقیق نیز از آن استفاده شده است. همچنین نانوذرات اکسید مس در اندازه‌های ۳۰، ۶۰ و ۹۰ نانومتر و با غلظت‌های حجمی ۱، ۳ و ۴ درصد مورد استفاده قرارگرفته‌اند. مدل قاعده توانی برای تخمین رفتار رئولوژیک سیالات غیرنیوتنی لزج به کار گرفته شده است. تأثیر اندازه ذرات، غلظت ذرات و عدد رینولدز بر ضریب انتقال حرارت و عدد ناسلت مطالعه شده است. با توجه به جدول ۳-۱ [۸۵] و همچنین طبقهبندی میکروکانالها، که توسط کاندلیکار [۶] در فصل دوم بیان شد، هندسه مورد مطالعه به صورت، شکل ۳-۱ تعریف میشود.
جدول ۳-۱ رینولدز بحرانی در میکروکانالهای مدور [۸۵]

برای دانلود متن کامل پایان نامه به سایت azarim.ir مراجعه نمایید.

منابع مقالات علمی : شبیه سازی عددی جریان جابه جایی اجباری نانوسیال غیرنیوتنی در میکرولوله- قسمت ۳۵

هاللفد و همکاران [۸۲] عملکرد حرارتی و افت فشار میکروکانال مستطیلی با استفاده از نانولولههای کربنی به همراه نانوسیال را بهینه‌سازی کردند.
ژوآن و روئتزل[۱۱۴] [۶۱] دو روش را برای تحلیل انتقال حرارت در نانوسیالات پیشنهاد دادند. در روش اول، فرض می‌شود که وجود نانوذرات درون جریان تنها با تغییر دادن خواص ترموفیزیکی سیال بر انتقال حرارت تأثیر می‌گذارد و بر اساس آن معادلات قوانین بقا برای جریان سیال و انتقال حرارت در یک سیال خالص تنها با جایگزینی خواص ترموفیزیکی نانوسیال، ‌برای تحلیل نانوسیالات نیز می‌توانند به کار روند. این مطلب همچنین به این معناست که روابط کلاسیک انتقال حرارت جابهجایی برای سیالات خالص میتوانند برای نانوسیالات نیز استفاده شوند. در روش دوم، نانوسیال کماکان به‌عنوان یک سیال تکفازی رفتار می‌کند، اما انتقال حرارت اضافی بدست آمده با نانوسیالات به‌وسیله مدل نمودن پدیده پراکندگی مورد توجه قرار می‌گیرد. آن‌ها نشان دادند که پراکندگی حرارت در نانوسیال به دلیل حرکت تصادفی نانوذرات اتفاق می‌افتد. با در نظر گرفتن این حقیقت که این حرکت تصادفی، تولید اغتشاش در سرعت و دما می‌کند. محققین نشان دادند که ضریب هدایت حرارتی مؤثر که در معادله بقای انرژی قابل استفاده است به صورت زیر است.

صاف – زبر d [mm] L [mm]
برای دانلود متن کامل پایان نامه به سایت azarim.ir مراجعه نمایید.

(۲-۱)

که knf ضریب هدایت گرمایی نانوسیال و kd ضریب هدایت گرمایی پخش شده است که با تعریف پیشنهاد شده زیر قابل محاسبه است.

(۲-۲)

در روابط بالا، چگالی، Cگرمای ویژه، Uسرعت محوری، کسر حجمی ذره، dقطر نانوذره و ro شعاع لوله است. C ثابتی تجربی بوده که باید از طریق تطابق با نتایج آزمایشگاهی تعیین شود. اندیس nf نشان دهنده نانوسیال است.
در مطالعه‌ای دیگر، بر اساس مدل پراکندگی، رابطه زیر به‌وسیله لی و ژوان [۶۲] برای تعیین عدد ناسلت پیشنهاد شد.

(۲-۳)

نشان داده شد که رابطه بدست آمده می‌تواند برای پیش‌بینی انتقال حرارت در جریان جابهجایی اجباری نانوسیال درون لوله‌های مدور استفاده شود. Ped عدد پکله ذره است که به‌صورت زیر تعریف می‌شود.

سایت مقالات فارسی – شبیه سازی عددی جریان جابه جایی اجباری نانوسیال غیرنیوتنی در میکرولوله- قسمت …

تراکم پذیر
جریانهای برشی با پخش غالب[۱۰۳]
را در مدل خود برطرف کرده است. طی سالهای اخیر، با استفاده از نتایج آزمایشگاهی، جملات دیگری به معادلات k-e استاندارد افزوده شده است به‌نحوی‌که دقت آن برای جریانهای برشی آزاد افزایش یافته است.
۱-۷-۳-۶ مدل تنش رینولدزی (RSM)[104]
از زمان رینولدز در سال ۱۸۸۵، تاکنون حل لحظهای معادلات ناویر-استوکس ممکن نبوده است. گرچه به حلی که نتیجه آن محاسبه مقادیر متوسط باشد رضایت داده شده است، اما آن‌هم منجر به یک جمله اضافی (تنش رینولدزی) در کنار تنش ناشی از لزجت میشود که باید با توجه به طبیعت پدیده موردمطالعه، مدل گردیده و لحاظ شود. این جمله (RSM) از نظر ابعادی، مانند تنش بوده، اما در جریانهای اغتشاشی کاملا بستگی به سطح اغتشاش دارد.
ویژگی معادلات انتقال را به شرح زیر میتوان خلاصه کرد.
حلهای عددی فوقالعاده سفت[۱۰۵] هستند، زیرا دستگاه معادلات به هم کوپل هستند.
از نظر محاسباتی هزینهبر هستند.
حدس اولیه مناسب لازم دارند که معمولا از یک مدل k-e استفاده میشود.
همانند مدل k-e در مجاورت دیوار جامد دقت کمی دارند.
فصل دوم
مطالعات آزمایشگاهی، عددی و تئوریک
۲-۱ مقدمه
افزایش ضریب هدایت گرمایی در نانوسیالات نویدبخش استفاده از آن‌ها به‌عنوان سیال عامل انتقال حرارت خواهد شد. به‌منظور استفاده از نانوسیالات در کاربردهای صنعتی و عملی، نیاز به فهم ویژگی‌های انتقال حرارت جابهجایی در آن‌ها است. به این منظور، محققان زیادی بر روی عملکرد انتقال حرارت جابهجایی در نانوسیالات تحقیق کردهاند. تحقیق بر روی انتقال حرارت جابهجایی با استفاده از نانوسیالها به‌طور مشخص از دهه قبل آغاز شد.
جابه‌جایی اجباری در کانال و تزریق مایع برای خنک کاری سریع‌تر و در مقیاس بزرگ‌تر در صنعت برای چند دهه استفاده شد. انتقال حرارت میکروکانال، در مقایسه با هوای معمولی و مایع سیستمهای سرد دارای ضریب انتقال حرارت بالا، همراه با پتانسیل بالا برای ضریب انتقال حرارت و افت فشار متوسط میباشد. انتقال حرارت میکروکانال، به پدیده‌ای محبوب و جالب برای پژوهشگران تبدیل شده است.
در این بخش مروری بر مطالعات و تحقیقات حائز اهمیت در زمینه انتقال حرارت نانوسیالات در مقیاس میکرو خواهیم داشت.
۲-۲ مطالعات آزمایشگاهی[۱۰۶]
در سال‌های اخیر تحقیقات مختلفی به‌صورت آزمایشگاهی در انتقال حرارت جابهجایی در هر دو رژیم جریان آرام و مغشوش متمرکز شده است.
خصوصیات انتقال حرارت جابهجایی نانوسیالات تحت رژیم آرام و مغشوش توسط کیم و همکاران [۴۷] مورد مطالعه قرار گرفت. در این میان به‌منظور بررسی انتقال حرارت جابهجایی تک فاز یک مطالعه تجربی درون لوله مستقیم دایرهای با شار حرارتی ثابت در رژیم آرام و مغشوش انجام شد نانوسیال را، آب به‌عنوان سیال پایه و سوسپانسیون آلومینیوم و کربن نامنظم به‌عنوان نانوذرات تشکیل میدهد. در نانوسیال آلومینیوم شامل ۳% حجمی ذرات معلق، افزایش حرارتی هدایت و ضریب انتقال حرارت جابهجایی به ترتیب ۸% و ۲۰% است. برای نانوسیال کربن نامنظم، هدایت حرارتی مشابه آب بود و ضریب انتقال حرارت جابهجایی تنها ۸% در جریان آرام افزایش یافته است.
پاک و چو[۱۰۷] [۴۸] بر روی انتقال حرارت جابهجایی نانوسیالات آب-اکسید آلومینیوم و آب-اکسید تیتانیوم در رژیم جریان مغشوش تحقیق کردند. در این تحقیق شرط مرزی شار حرارتی ثابت برای دیوارهها در نظر گرفته شد. افزایش انتقال حرارتی به میزان ۷۵% برای نانوسیال آب- اکسید آلومینیوم و با نسبت حجمی ۷۸/۲% مشاهده شد و نشان داده شد که افزایش انتقال حرارت بهدست آمده با ذرات اکسید آلومینیوم بیشتر از ذرات اکسید تیتانیوم است.
لی و ژوان[۱۰۸] [۴۹] قابلیت انتقال حرارت نانوسیال آب-مس در هر دو رژیم جریان آرام و مغشوش را با استفاده از شرط مرزی شار حرارتی ثابت روی دیواره بررسی نمودند که افزایشی تا ۶۰% مشاهده شد. ملاحظه شد که نسبت افزایش ضریب انتقال حرارت با افزایش عدد رینولدز افزایش می‌یابد. آن‌ها این افزایش را به پدیده پخش حرارتی نسبت دادند.
چن و همکاران[۱۰۹] [۵۰] از نانولولههای اکسید تیتانیوم در تحقیقات خود استفاده کردند. قطر نانولولهها در حدود ۱۰ نانومتر و طول آن‌ها در حدود ۱۰۰ نانومتر بود. آب به‌عنوان سیال پایه استفاده شد. جریان آرام در لوله استوانه‌ای تحت شرط مرزی شار حرارتی ثابت روی دیواره در این تحلیل در نظر گرفته شد. ملاحظه شد که ضریب انتقال حرارت جابهجایی موضعی در جهت محوری کاهش یافت و برای رینولدز ۱۷۰۰ به حدود W/m2K 800 رسید. در این مقدار تغییر زیادی برای نسبت وزنی‌های مختلف ذرات (۵/۰%، ۱% و ۵/۲%) مشاهده نشد.
ون و دینگ[۱۱۰] [۵۱] روی نانوسیالات آب- اکسید آلومینیوم در رژیم جریان آرام و تحت شرط مرزی شار ثابت دیواره‌ها تحقیق کردند. تحلیل یکسانی را با تغییر نسبت حجمی ذرات بین ۶/۰% و ۶/۱% ترتیب دادند. نانوسیالات بکار رفته در این تحقیق ذراتی با اندازه بین ۲۷ نانومتر و ۵۶ نانومتر داشتند. آن‌ها به افزایش انتقال حرارت به ازای افزایش نسبت حجمی ذرات و عدد رینولدز دست یافتند و ملاحظه کردند که نسبت افزایش ضریب انتقال حرارت موضعی در ورودی لوله بیشتر است. همچنین مشاهده شد که نانوسیالات نسبت به سیالات خالص به‌کندی به حالت توسعه‌یافتگی گرمایی میرسند.
هوانگ و همکاران[۱۱۱] [۵۲] بر روی نانوسیالاتی با استفاده از نانوذرات اکسید آلومینیوم و با اندازه ۳۰ نانومتر و نسبت‌های حجمی پایین‌تر بین ۰۱/۰% تا ۳/۰% با شرایط مشابه سایر تحقیقات، تحقیق کردند و نشان دادند که افزایش انتقال حرارت هنوز هم حتی در نسبت حجمی پائین ذرات ۳/۰% چشمگیر است (۸%). برخلاف سایر محققین آن‌ها افزایشی در ارتقای انتقال حرارت به ازای افزایش عدد رینولدز مشاهده نکردند.
در مطالعه‌ای دیگر زینالی هریس و همکاران [۵۳] نانوسیالات آب-اکسید آلومینیوم و آب-اکسید مس را مقایسه کردند. آن‌ها مشاهده کردند که نرخ رشد انتقال حرارت بهدست آمده با نانوذرات اکسید آلومینیوم بیشتر از نرخ رشد بهدست آمده با نانوذرات اکسید مس است.
دانگتونگساک[۱۱۲] [۵۴] تحقیقی بر روی افزایش انتقال حرارت و افت فشار در نانوسیال آب- اکسید تیتانیوم در یک مبدل حرارتی دولولهای جریان مخالف انجام داد. مشاهده شد که ضریب انتقال حرارت و افت فشار نانوسیال به‌طور مشخص بیشتر از سیال پایه است.
اعتماد و همکاران [۵۵] انتقال حرارت جابهجایی اجباری برای سه نانوسیال غیرنیوتنی مختلف درون یک لوله مدور و تحت رژیم جریان مغشوش و شرط مرزی شار ثابت را به‌صورت تجربی مورد بررسی قراردادند. نتایج این تحقیق نشان داد که ضرایب انتقال حرارت موضعی و میانگین نانوسیالات بزرگ‌تر از سیال پایه است و نرخ انتقال حرارت نانوسیالات با افزایش غلظت نانوذرات افزایش می‌یابد. در این تحقیق معادله‌ای نیز برای عدد ناسلت نانوسیالات غیرنیوتنی پیشنهاد شد که در آن ناسلت تابعی از اعداد رینولدز و پرانتل بود.
فتوکیان و نصراصفهانی [۵۶] به مطالعه تجربی در مورد انتقال حرارت جابهجایی و افت فشار نانوسیال رقیق آب-اکسید مس در رژیم مغشوش درون لوله دایرهای پرداختند. اندازه‌گیری‌ها نشان داده که افزودن مقدار کمی از نانوذرات اکسید مس به سیال پایه ضریب انتقال حرارت را به‌طور قابل‌توجهی افزایش میدهد. به‌طور میانگین ۲۵% افزایش در ضریب انتقال حرارت و ۲۰% افت فشار مشاهده شده است.
همت، ساعدالدین و محمودی [۵۷] مطالعه تجربی روی کارایی انتقال حرارت جابهجایی و خواص ترموفیزیکی نانوسیال آب-منیزیم اکسید تحت جریان مغشوش انجام دادند. اندازه‌گیری‌ها نشان میدهد که افت فشار نانوسیال کمی بالاتر از سیال پایه است و با افزایش کسر حجمی نانوذرات افت فشار افزایش نمییابد.
بررسی تجربی و عددی انتقال حرارت و تجزیه‌وتحلیل جریان نانوسیال غیر نیوتنی در محیط متخلخل بین دو استوانه هم‌مرکز را حاتمی و گنجی [۵۸] انجام داده‌اند. سیال غیر نیوتنی آلژینات سدیم به‌عنوان سیال پایه و اکسید تیتانیوم به‌عنوان نانوذره در نظر گرفته شده است. لزجت نانوسیال به‌عنوان تابعی از دما توسط مدل رینولدز در نظر گرفته شده است. در این مقاله از روشهای حداقل مربعات و رانگ کوتا مرتبه چهار استفاده شده است.
وفایی و ون[۱۱۳] [۵۹] در یک کار جدید انتقال حرارت جابجایی نانو سیال آب- آلومینا را در میکرو کانال مورد بررسی قراردادند. آن‌ها مقدار کاهش انتقال حرارت را در ناحیه ورودی مشاهده کردند، اما عمده افزایش انتقال حرارت در ناحیه کاملاً توسعه‌یافته بهدست آمد.
حجت و همکاران [۸۰] به بررسی انتقال حرارت اجباری مغشوش سه نانوسیال اکسید آلومینیوم، اکسید مس و اکسید تیتانیوم در محلول آبی کربوکسی متیل سلولز پرداختند.
سلمان و همکاران [۸۱] در تحقیق خود خلاصهای از تحقیقات متعدد را که روی دو موضوع الف) بررسی جریان سیال و انتقال حرارت و انواع میکرولوله و میکروکانال ب) نانوسیالها شامل خواص، رفتار و سایر پارامترها، متمرکز بود را بیان نمودند. هدف این مقاله بیان یک دیدگاه روشن و خلاصه‌ای دقیق از تاثیر پارامترهای مختلف از قبیل مشخصات هندسی، شرایط مرزی و نوع سیال است.
حجت و همکاران [۸۳] انتقال حرارت اجباری نانوسیال غیرنیوتنی در لوله مدور با دمای ثابت دیواره در شرایط مغشوش را مورد بررسی قرار دادهاند. نتایج نشان میدهد که ضریب انتقال حرارت جابهجایی نانوسیال نسبت به سیال پایه بالاتر است. افزایش ضریب انتقال حرارت جابهجایی با افزایش عدد پکله و افزایش غلظت نانوذرات افزایش مییابد.
۲-۳ مطالعات تئوریک
ماسیمو و همکاران [۶۰] به بررسی انتقال حرارت نانوسیالها داخل لوله تحت جریان مغشوش به‌صورت تحلیلی پرداختند. آن‌ها رفتار نانوسیالات را تک فاز فرض کردند. نتایج اساسی بدست آمده از این مقاله به این شرح است، برای هر ترکیب خاص جامد-مایع غلظت بهینه نانوذره با افزایش دمای توده نانوسیال افزایش، عدد رینولدز سیال پایه افزایش و نسبت طول به قطر لوله کاهش مییابد.

(۲-۴)
برای دانلود متن کامل این پایان نامه به سایت  fumi.ir  مراجعه نمایید.

پژوهش – شبیه سازی عددی جریان جابه جایی اجباری نانوسیال غیرنیوتنی در میکرولوله- قسمت …

در شرط مرزی برای معمولا گرادیان آن، روی مرز صفر فرض میشود.
برای e از شرط تولید و مصرف یکسان استفاده میشود.
۱-۷-۳-۳ مدل k-e در اعداد رینولدز پایین
اگر بالا بودن دقت محاسبات در نزدیکی دیوار جامد موردنظر باشد، چون عدد رینولدز محلی در این نواحی کوچک است لذا
به‌واسطه برقراری شرط عدم لغزش در روی دیواره جامد، ورتیسیتی بسیار تولید و به داخل جریان سیال فرستاده میشود.
مقدار بیشینه انرژی جنبشی اغتشاشی (k)، در نزدیکی دیواره جامد تولید میشود.
مقدار بیشینه انرژی اتلافی (e)، در نزدیکی دیوار جامد صورت میگیرد.
۱-۷-۳-۴ مدل [۱۰۱]RNG
از هنگامیکه مدل استاندارد k-e عرضه شد، انتقادات زیادی به پایین بودن دقت و بالا بودن اتلاف در جریانهای برگشتی، لایههای برشی پیچیده یا جریانهای دارای انحنا وارد میشد. تلاشهای زیادی برای اصلاح این نقیضه صورت گرفت که یکی از معروفترین آن‌ها، توسعه گروهی از مدلها تحت عنوان RNG است. در این مدلها، با استفاده از تبدیل فوریه زمانی و با تکرارهای متوالی آن، میدان سرعت چنان تجزیه میشود که مقیاسهای کوچک، اما پرسرعت حذف شده، اما ضرایب لازم در انتقال با استفاده از ویژگیهای گردابههای بزرگ محاسبه میشود. ویژگیهای مهم مدل RNG را میتوان به شرح زیر دسته‌بندی کرد:
معادله k-e از نوع RNG، نسبت به مدل k-e استاندارد، دارای یک جمله اضافی در معادله انتقال e است که به‌طور محسوسی دقت محاسبات در میدان جریان با کشیدگیهای سریع[۱۰۲] را بهبود میبخشد.
دقت محاسبات را در جریانهایی با چرخش بالا افزایش میدهد.
در مدل RNG، مقدار عدد پرانتل اغتشاشی به‌صورت تحلیلی محاسبه میشود، درحالی‌که در مدل k-e استاندارد، مقدار آن ثابت بوده و توسط استفاده کننده داده میشود.
برخلاف مدل k-e استاندارد که یک مدل با عدد رینولدز بالاست در مدل RNG، مقدار ضریب لزجت به‌صورت تحلیلی چنان تعیین میشود که دقت محاسبات در نزدیکی دیوار جامد در اعداد رینولدز پایینتر نیز افزایش مییابد. این ویژگی بستگی کامل به نحوه مدل نمودن نواحی مجاور دیوار جامد دارد.
گرچه مدل‌های RNG، افزایش دقت بیشتری را نشان میدهند، اما انتقادات جدی نیز به آن وارد است. به نظر میرسد این مدلها نسبت به نحوه به‌کارگیری بسیار حساس (ناپایدار) هستند.
۱-۷-۳-۵ مدل k-w
طبق شواهد موجود، مدل‌های متعدد دو معادلهای پیشنهاد شده است که همه این مدلها در معادله اول برحسب k با یکدیگر مشابه‌اند. در شرایطی که اغتشاش در همه جهتها هموژن باشد، میتوان نشان داد که این مدلها تفاوت جدی با یکدیگر ندارند. منشا اصلی مشکل، حل معادله e است، زیرا این معادله نه دقیق است و نه حل آن آسان است. همچنین مقادیر بیشینه این متغیر در نزدیکی دیوار جامد قرار دارد. با تعریف w = e / k میتوان به‌جای e معادله دیگری برای انتقال w نوشت. این متغیر، مقیاس مناسب محلی، برای زمان اغتشاشی مخصوصا در نزدیک جدار جامد است.
اگر در معادلات (۱-۷۰) و (۱-۷۴) جای e و w از ترکیب آن‌ها در قالب متغیر جدید w = e / k استفاده شود، پس از عملیات جبری و ساده سازیهای لازم، رابطه کلی انتقال w به دست میآید،

برای دانلود متن کامل پایان نامه به سایت  fotka.ir  مراجعه نمایید.

(۱-۷۶)

میتوان نشان داد، معادله (۱-۷۶) برای جریان مغشوش همگن به‌صورت زیر ساده شده و مشابه یک مدل k-e استاندارد عمل میکند.

(۱-۷۹)

ویلکاکس با معرفی مدل k-w نشان داد، چگونه ضعف مدل k-e استاندارد، در جریانهایی با
اعداد رینولدز پایین

شبیه سازی عددی جریان جابه جایی اجباری نانوسیال غیرنیوتنی در میکرولوله- قسمت ۳۲

(۱-۷۱)

(۱-۷۲)

(۱-۷۳)

با جایگذاری معادله (۱-۷۳) در معادله (۱-۷۲) معادله انتقال e به دست میآید،

(۱-۷۴)

بدین ترتیب، معادله (۱-۷۰) برای k و (۱-۷۴ ) برای e به همراه معادلات بقای مومنتوم خطی و پیوستگی که برحسب مقادیر متوسط گیری شده نوشته شدهاند و نیز مدل پیشنهادی پرانتل در معادله (۱-۶۹) مجموعا دستگاه معادلاتی موسوم به مدل k-e را تشکیل میدهند که حل آن‌ها مقادیر متوسط مجهولات، شامل سه مؤلفه سرعت و فشار را مشخص میکند. در اولین مدل ارائه شده از نوع k-e استاندارد توسط جونز-لاندر-اسپالدینگ مقادیر عددی ضرایب به شرح زیر است،

دانلود متن کامل پایان نامه در سایت jemo.ir موجود است

(۱-۷۵)

ضرایب ارائه شده فقط برای لایه مرزی معتبر بوده و متاسفانه عمومیت ندارد. برای جریانهای دیگر، مانند جت، ویک و باز چرخشی[۱۰۰] باید مقدار ضرایب را به نحو مناسب اصلاح کرد.
۱-۷-۳-۲ استفاده از تابع جریان در مدل k-e برای اعداد رینولدز بالا
در جریانهایی با اعداد رینولدز بالا، معادلات حاکم و حل آن‌ها به سمت جریان سیال غیر لزج میل میکند. در این حالت، مدل k-e برای اعداد رینولدز بالا با استفاده از توابع دیوار به شرح زیر ساده میشود.
زیر لایه لزج به‌درستی لحاظ نمیشود.
اگر نزدیکترین گره محاسباتی در خارج از زیر لایه لزج قرار گیرد از رابطه u+=(1/k)Ln(y+)+C میتوان استفاده نمود.
شرط لغزش منظور میشود.

شبیه سازی عددی جریان جابه جایی اجباری نانوسیال غیرنیوتنی در میکرولوله- قسمت ۳۱

۱-۷-۲ ویژگیهای جریان اغتشاشی سیالات
بی‌نظمی[۹۶]: بی‌نظمی یا تصادفی بودن، یکی از خصوصیات همه جریانهای اغتشاشی است. همین ویژگی تعیین یک ساختار معین و از پیش تعیین شده را مشکل نموده و محققان را وادار به استفاده از ابزار آماری مینماید.
نفوذپذیری: در جریان مغشوش، به علت حرکت طولی و عرضی تودههای بزرگ سیال (گردابهها)، توانایی نفوذ[۹۷] (یا پخش) و درنتیجه اختلاط[۹۸] بسیار افزایش مییابد. لذا، نرخ انتقال مومنتوم، گرما و جرم در جریان مغشوش چند تا صد برابر جریان آرام بوده و اختلاط بر مبنای نفوذ مولکولی بسیار کوچک‌تر از اختلاط ناشی از انتقال بزرگ مقیاس میباشد.
اعداد رینولدز بالا: جریان مغشوش همیشه در اعداد رینولدز بالا، روی میدهد. منشا اغتشاش، آشکار شدن ناپایداری موجود در جریان آرام است. ناپایداری مذکور بهواسطه تاثیر متقابل نیروهای لزج و نیروهای غیرخطی اینرسی آغاز میشود. این ناپایداری طبیعت بسیار پیچیدهای دارد.
نوسانات سه‌بعدی ورتیسیتی[۹۹]: جریان اغتشاشی چرخشی و سه‌بعدی است. نوسانات تصادفی ورتیسیتی، ناشی از کشیدگی تیوبهای ورتیسیتی و اندرکنش آن‌ها با یکدیگر است و لذا در جریان دوبعدی روی نمیدهد. درهرصورت، مطالعه جریان اغتشاشی به‌صورت دوبعدی فقط میتواند در محدوده دوبعدی آرام یا گذر از دوبعدی به سه‌بعدی مورد استفاده قرار گیرد.
اتلاف: جریانهای اغتشاشی همیشه اتلافی هستند. تنشهای ناشی از لزجت روی نوسانات ناشی از اغتشاش، کار انجام داده و انرژی جنبشی نوسانی را کاهش میدهند. جریان اغتشاشی، نیازمند تداوم انتقال انرژی است تا قادر به تامین تلفات ناشی از لزجت باشد. اگر انرژی لازم تداوم نیابد، اغتشاش روبه‌زوال میرود.
پیوستگی: اغتشاش پدیدهای پیوسته است که توسط معادلات حاکم بر جریان سیال بیان میشود. ظهور اغتشاش حتی در کوچکترین مقیاس، بازهم از متوسط فاصله مولکولی، بسیار بزرگتر است.
اغتشاش ویژگی جریان است: اغتشاش ویژگی سیال نبوده، بلکه ویژگی جریان سیال است. اما اغلب ویژگیهای دینامیکی اغتشاش در بیشتر سیالات مشابه یکدیگر است.
۱-۷-۳ مدل‌های اغتشاشی
۱-۷-۳-۱ مدل k-e
نوشتن معادله انتقال برای مقیاس طولی (L) آسان نیست، لذا محققین ترجیح میدهند که آن را برحسب پارامتر دیگری، مانند انرژی تلفاتی بر واحد جرم (e) به شرح زیر بنویسند.

دانلود متن کامل پایان نامه در سایت jemo.ir موجود است

(۱-۶۹)

با توجه به تعریف L و vT که طبق معادله (۱-۶۹) برحسب k و e نوشته شدهاند، معادله انتقال k به‌صورت زیر بازنویسی میشود.

(۱-۷۰)

اکنون لازم است، معادله انتقال برای e نیز نوشته شود. برای استفاده از عملیات جبری طولانی و با استفاده از تجارب قبلی در محاسبه رابطه انتقال برای متغیرهای مشابه،

برای شار ثابت دیواره
برای دانلود متن کامل پایان نامه به سایت  ۴۰y.ir  مراجعه نمایید.

(۱-۶۷)

برای دمای ثابت دیواره

(۱-۶۸)

با توجه به اینکه نانوسیال میتواند با نانوذرات مختلف، غلظتهای متنوع و یا اندازههای مختلف نانوذرات تهیه گردد، یک معادله جامع باید بتواند اثر پارامترهای مذکور را در خود جای دهد. تلاش محققین برای رسیدن به چنین معادلهای همچنان ادامه دارد.
۱-۶-۸-۳ انتقال حرارت جابهجایی طبیعی
مسئله انتقال حرارت جابهجایی طبیعی را علاوه بر شیوههای آزمایشگاهی میتوان از طریق تئوری و با استفاده از معادلات حاکم بر چنین فرآیندی نیز تجزیه و تحلیل کرد. برای چنین اموری دو دیدگاه وجود دارد. از یک نگاه میتوان سوسپانسیونهای جامد–مایع را دو فازی در نظر گرفت. دیدگاهی که در تجزیه و تحلیل سوسپانسیونهای حاوی ذرات جامد با ابعاد میلی‌متر و یا میکرومتر به کار میرود و از دیدگاه دیگری سوسپانسیون را میتوان به‌عنوان یک سیال تک فازی در نظر گرفت. دیدگاه اول به فهم بهتر انتقال حرارت توسط فازهای جامد–مایع کمک میکند. در دیدگاه دوم ذرات جامد و مایع در تعادل حرارتی و دارای سرعتهای موضعی برابر فرض میشوند. [۴۶]. در بررسی انتقال حرارت توسط نانوسیال باید عواملی نظیر جاذبه، حرکت براونی، تشکیل لایه در سطح مشترک جامد–مایع، خوشهای شدن نانوذرات، اصطکاک بین سیال و ذرات جامد مدنظر قرار گیرند. ضمن اینکه نفوذ براونی، ته‌نشینی و پراکندگی نیز به‌صورت همزمان میتواند وجود داشته باشد. در غیاب دادههای تجربی استفاده از مدل دو فازی برای بررسی نانوسیال ممکن نخواهد بود. درحالی‌که با اصلاح مدل تک فازی میتوان برخی از عوامل مذکور را در معادلات لحاظ کرد.
۱-۷ اغتشاش
۱-۷-۱ مقدمه
بیش از ۵۰۰ سال است که اغتشاش به‌عنوان یک ویژگی شناخته‌شده در جریان سیالات موردتوجه قرار گرفته است. این پدیده در اواخر قرن نوزدهم، توسط محققان بهنام، مانند بوزینسک، رینولدز، لمب، … و در قرن بیستم توسط مهندسان و محققان برجستهای، مانند پرانتل، فون کارمن، تولمین، شیلختینگ، هاینز، وایت و … موردمطالعه قرار گرفته است، اما هنوز اطلاع کامل و جامعی از چگونگی وقوع یا پیشبینی رفتار آن تا درجه قابل‌اعتمادی از نظر مهندسی در دست نیست. مطالعه رفتار اغتشاشی (آشفته) جریان سیالات یکی از فریبندهترین، ملالآورترین و مهمترین مسائل در علوم نظری-تجربی است. در حقیقت، جریان سیالات در بیشتر مواقع مغشوش بوده و در مقیاس مایکروسکوپی نیز فیزیک غالب بر بیشتر پدیدههای جهان هستی از درون سلول حیاتی، سیستم گردش خون و تنفس موجودات زنده گرفته تا وسایل بیشمار صنعتی مورد استفاده در یک جامعه مدرن و نیز پدیدههایی مانند زمینشناسی، اقیانوسشناسی، ستارهشناسی و فیزیک حاکم بر کهکشانها را در برمیگیرد. به‌رغم جریان گسترده سیالات و حضور دائمی اغتشاش، اغتشاش[۹۵] تا به امروز جزو آخرین مسائل لاینحل ریاضی-فیزیک-مهندسی باقی‌مانده است.
جدول ۱-۶ تاریخچه مختصر از شخصیتها و نظریات تأثیرگذار

نام سال توضیحات
نیوتن ۱۶۸۷ انتشار کتاب Principia Mathematica با تاکید بر وجود رابطه خطی بین تنش ناشی از لزجت و نرخ کرنش
ناویر ۱۸۲۳ ارائه معادله بقای مومنتوم خطی با لحاظ کردن اصطکاک موجود در سیال (۱-۵۸)

در رابطه بالا mf لزجت سیال پایه و j جز حجمی نانوذرات است. البته این معادله برای سوسپانسیونهای با غلظت کم ذره (کمتر از ۲ درصد حجمی) بکار میرود.
ژوان[۹۲] و لی[۹۳] [۴۳] برای تعیین عدد ناسلت در نانوسیالات روابط زیر را ارائه کردند،

برای دانلود متن کامل این پایان نامه به سایت  pipaf.ir  مراجعه نمایید.

(۱-۵۹)
(۱-۶۰)

در این رابطه Pe عدد پکله است. توانهای و m به نوع جریان، سرعت بدون بعد و دمای بدون بعد بستگی دارد. f و مشتقات سرعت بیبعد و دمای بیبعد هستند. برای تعیین مقدار C* باید از اطلاعات آزمایشگاهی استفاده کرد. بر اساس رابطه بالا محققین مذکور رابطه زیر را برای نانوسیالات جهت برازش اطلاعات تجربی بر آن پیشنهاد کردند. [۴۰].

(۱-۶۱)

تعیین ضرایب c1 و c2 و توانهای m1، m2 و m3 از طریق برازش اطلاعات تجربی بر معادله مذکور صورت میگیرد.
در مقایسه با روابط انتقال حرارت متداول برای جریان تک فازی جز حجمی نانوذرات و عدد پکله به این رابطه اضافه شده‌اند. عدد پکله بیانگر اثر پراکندگی حرارتی ناشی از میکرو جابهجایی و میکرو نفوذ نانوذرات معلق است. درصورتی‌که مقدار ثابت cبرابر صفر باشد جمله مربوط به پراکندگی حرارتی از رابطه بالا حذف‌شده و معادله متناظر با حالت سیال پایه خالص خواهد بود.
عدد پکله ذره که در رابطه قبل استفاده‌شده است از رابطه زیر به دست میآید،

(۱-۶۲)

آزمایشهای تجربی نشان دادهاند که با افزودن نانوذرات به سیال پایه مقدار انتقال حرارت افزایش مییابد. دلایل این افزایش را در نانوسیالات به تشدید اغتشاش چرخابهها، کوچک شدن ضخامت لایه‌مرزی، پراکندگی معکوس نانوذرات معلق، افزایش قابلملاحظه ضریب هدایت حرارتی و نیز ظرفیت حرارتی سیال ربط دهند .[۴۰]. به همین دلایل ضریب انتقال حرارت جابهجایی نانوسیالات را تابعی از خواص، ابعاد و جز حجمی نانوذرات معلق و سرعت جریان میتوان در نظر گرفت.
نانوسیالات بیشتر شبیه یک سیال رفتار میکند تا یک مخلوط متداول جامد–مایع که در آن ذرات نسبتا بزرگ با ابعاد میکرومتر یا میلی‌متر پراکنده ‌شده‌اند. با این‌وجود نانوسیال دارای طبیعت یک سیال دو فازی بوده و برخی از مشخصات مخلوطهای جامد– مایع را نیز دارا میباشد. جریان نانوسیال تحت تاثیر عوامل مختلفی مانند جاذبه حرکت براونی، نیروی اصطکاک بین سیال و ذره، پدیده نفوذ براونی و پراکندگی قرار میگیرد. حرکت اتفاقی نانوذرات معلق نرخ تبادل انرژی در سیال را افزایش میدهد. پراکندگی موجب تخت شدن توزیع دما گشته و گرادیان دمای بین دیواره و سیال را افزایش داده و سبب افزایش نرخ انتقال حرارت میشود . [۴۰].
با در نظر گرفتن تفاوت رفتاری نانوسیال با سیال پایه میتوان تابعیت عدد ناسلت از پارامترهای مختلف را برای نانوسیالات به‌صورت زیر نمایش داد. [۴۰].،

دانلود متن کامل پایان نامه در سایت jemo.ir موجود است

(۱-۵۵)

یانگ[۸۹] و همکاران [۴۱] جهت تعیین عدد ناسلت برای نانوسیالات، معادله سیدر و تیت را مورد بررسی قراردادند. آن‌ها معادله سیدر و تیت را به صورت زیر بازآرایی کردند،

(۱-۵۶)

آن‌ها از نتایج تجربی به‌دست‌آمده و بررسی معادله بالا به این نتیجه رسیدند که میتوان معادلهای به شکل زیر را برای تعیین عدد ناسلت نانوسیالات به کار برد،

(۱-۵۷)

این معادله با استفاده از دادههای تجربی و پس از پردازش آن‌ها به‌صورت رابطه y=1.86x0.3333 برای تعیین w در اعداد رینولدز مختلف مورد استفاده قرار گرفت. [۴۱].
ون[۹۰] و دینگ[۹۱] [۴۲] نیز تلاش کردند به‌صورت تجربی میزان موفقیت معادله شاه و معادله دیتوس–بولتر را در برآورد عدد ناسلت برای نانوسیالات بیازمایند. برای این منظور آن‌ها نانوسیال آب–مس را در سیستم آزمایشگاهی خود مورد آزمایش قراردادند. آن‌ها برای ضریب هدایت گرمایی از دادههای تجربی و برای لزجت نانوسیال از رابطه زیر استفاده کردند،

پژوهش دانشگاهی – شبیه سازی عددی جریان جابه جایی اجباری نانوسیال غیرنیوتنی در میکرولوله- قسمت ۲۳

۱-۶-۶-۲ فرآیند حالت مایع و حالت جامد
دسته دیگری از روشهای تولید نانوذرات را فرآیندهای حالت جامد تشکیل می‌دهد. در این روش نانوذرات را از طریق آسیاب کردن و پودر نمودن تهیه میکنند. خواص نانوذرات حاصل از این روش تحت تأثیر نوع گلوله‌های آسیاب کننده، زمان آسیاب و محیط اتمسفری آن قرار میگیرد. از این فرآیند برای تولید نانوذراتی میتوان استفاده نمود که از طریق فرآیندهای حالت بخار و حالت مایع به‌آسانی تولید نمی‌شوند. از موارد استفاده روش حالت جامد میتوان به آلیاژسازی مکانیکی و فرآیندهای شیمیایی- مکانیکی اشاره کرد. آخرین دسته از فرآیندهای تولید نانوذرات را فرآیندهای حالت مایع تشکیل میدهد. با توجه به اینکه این روش‌ها دارای سادگی، تنوع، تطبیق‌پذیری و قابلیت استفاده برای انواع نانوذرات هستند، ‌موردتوجه بیشتری قرارگرفته‌اند. مهم‌ترین روش موجود در فرآیندهای حالت مایع به شرح زیر است،
تولید نانوذرات به‌وسیله فرآیند همرسوبی
تولید نانو ذرات بیشتر از طریق همرسوبی در محلولهای آبی و سپس اعمال فرآیند تجزیه حرارتی برای ایجاد محصولات اکسیدی صورت میگیرد. روش همرسوبی شامل فرآیندهای همزمان هسته‌زایی، رشد و کلوخه شدن است.
فرآیند سل ژل[۸۵]
فرآیند سل ژل به هیدرولیز و تراکم پیش مواد با پایه آلکوکسید مانند Si(OEt)(تترااتیل ارتوسیلیکات یا TEOS) اطلاق میشود. فرآیند سل ژل را میتوان به یکسری از مراحل مشخص تقسیم کرد:
مرحله اول: تشکیل محلولهای پایدار آلکوکسید
مرحله دوم: تولید ژلاتین از تشکیل یک شبکه پل دار الکلی یا اکسیدی
مرحله سوم: زمان دهی به ژل
مرحله چهارم: خشک کردن ژل
مرحله پنجم: آب‌گیری
مرحله ششم: متراکم کردن و تجزیه ژل در دماهای بالا
۱-۶-۶-۳ تولید نانوذرات با استفاده از روش سیال فوق بحرانی
اخیراً سیالهای فوق بحرانی یا گازهای فشرده به‌عنوان یک محیط مناسب برای انجام فرآیند تبلور و تولید نانوپودرها پیشنهادشده‌اند. یک سیال فوق بحرانی ترکیبی است که در دما و فشار بالاتر از نقطه بحرانی خود قرار دارد. به‌عنوان مثال سیال فوق بحرانی مورد استفاده میتواند کربن دی‌اکسید باشد که علاوه بر ارزان بودن، اثر آلوده‌کنندگی نیز ندارد و متغیرهای بحرانی آن (Tc= 31.1°C, Pc=73.9 bar) در یک دستگاه صنعتی به‌سادگی قابل حصول است. استفاده از سیال فوق بحرانی،‌ کنترل دقیق فرآیند تبلور و توانایی تولید ذرات بسیار ریز و یکسان (از نظر اندازه) را فراهم می‌آورد. همچنین وجود خواصی نظیر نفوذ شبه گازی آن و امکان حذف کامل آن در انتهای فرآیند، باعث جلب‌توجه زیاد به سمت آن شده است. به‌طورکلی این سیالها در تکنولوژیهای تولید نانوپودرها، در سه حالت جسم حل شونده، ضد حلال و کمک حلال مصرف میشوند.
۱-۶-۷ نانولولهها
نانولوله، لوله‌ای است که در مقیاس نانو به‌وسیله نانوذرات ساخته می‌شود. نانولوله‌ها از خانواده فولرنها محسوب می‌شوند. قطر یک نانولوله در حدود چند نانومتر است. درحالی‌که طول آن میتواند به چندین میلی پدیده هوایی برسد. رسانایی حرارتی نسبت به سایر ترکیبات به‌استثنای الماس خالص، رسانایی الکتریکی بسیار بالا، توانایی حمل جریانی بالاتر از مس، ممان مغناطیسی بسیار بزرگ و قابلیت گسیل و جذب نور از ویژگیهای برجسته نانولولهها است. یکی از مهم‌ترین انواع نانولوله‌ها، نانولوله‌های کربنی هستند. نانولوله‌های کربنی در ۲ گروه اصلی : تک دیواره (تک جداره)و چند دیواره (چند جداره) وجود دارند.
هدایت گرمایی قابل‌توجه نانولولهها هم‌اکنون آن‌ها را در رقابت با نانوذرات در تهیه نانوسیالها قراردادهاست. افزودن ذرات جامد فلزی یا اکسیدهای فلزی، به یک سیال سبب افزایش قابل‌توجه هدایت حرارتی سیال می‌شود. ولی به دلیل مشکلاتی که در این زمینه وجود داشت ازجمله ته‌نشینی بسیار سریع ذرات و عدم پایداری سوسپانسیونهای تشکیل‌شده، عملی شدن ایده افزایش انتقال حرارت با افزودن ذرات جامد به سیال تا مطرح‌شدن تهیه و تولید نانوذرات به تعویق افتاد. با ممکن شدن تهیه ذرات جامد با ابعاد نانومتری این ایده شکل عملی به خود گرفته و اکنون تحقیقات وسیعی در زمینه تهیه نانوسیال در جریان است. ویژگی نانولولههای کربنی به‌خصوص هدایت حرارتی آن‌ها توجه محققین را به استفاده از نانولولهها در تهیه نانوسیال معطوف کرده است. ضریب هدایت حرارتی برای نانولولههای کربنی چند جداره در حدود W/m.K 3000 و برای نانولولههای کربنی تک جداره در حدود W/m.K 600 گزارش شده است.
وجود نانولوله در یک سیال پایه می‌تواند متناسب با غلظت آن، ضریب هدایت حرارتی سیال پایه را به‌شدت افزایش داده و نسبت ضریب هدایت حرارتی نانوسیال حاوی نانولوله به ضریب هدایت حرارتی سیال پایه را به بالاتر از ۸/۱ نیز برساند. این در حالی است که افزودن نانولولههای کربنی به سیال پایه نشان‌دهنده افزایش ۴۰۰ درصدی ضریب انتقال حرارت جابهجایی نیز است.
۱-۶-۸ انتقال حرارت جابهجایی در نانوسیالات
بهینه‌سازی تجهیزات انتقال حرارت جهت رسیدن به راندمان بالاتر انرژی نیازمند تمرکز بر کوچک‌سازی تجهیزات از یک‌سو و افزایش شدت انتقال حرارت به ازای واحد سطح از سوی دیگر میباشد. سیالاتی نظیر آب، روغنهای معدنی و اتیلن گلیکول نقش زیادی در انتقال حرارت در فرآیندهای صنعتی مانند فرآیندهای تولید نیرو، فرآیندهای شیمیایی، فرآیندهای سرمایش و گرمایش و میکروالکترونیک بر عهده‌دارند. خواص ضعیف انتقال حرارت سیالات متداول نظیر سیالات مذکور اولین مانع جدی در فشردهسازی و کارآمد کردن مبدلهای حرارتی است.
هدایت حرارتی برخی از جامدات نظیر فلزات چند صد برابر مایعات متداول حامل انرژی است. بر این اساس ایده بهبود و افزایش هدایت حرارتی مایعات با افزودن ذرات جامد بسیار ریز شکل گرفته است. برخی از ذرات جامد مانند ذرات فلزی، غیرفلزی. پلیمری را میتوان با مایعات مخلوط کرده و از آن‌ها سیال دوغابی شکل تهیه کرد. هرچند اگر سوسپانسیونهای حاصل محتوی ذرات با ابعاد میلی‌متر یا میکرومتر باشند مشکلاتی نظیر گرفتگی مجاری حرکت سیال، تهنشینی سریع و افت فشار بیش‌ازحد ظاهر خواهد شد و درصورتی‌که ذرات دارای اندازه نانومتری باشند مشکلات بالا بسیار کمرنگ خواهند گردید.
سیالات حامل انرژی در صنایع اغلب با حرکت در مجاری انتقال نظیر لولهها و مبدلهای حرارتی انرژی را به نقاط موردنظر منتقل مینماید. در این حالت آنچه برای مهندسین اهمیت دارد، برآورد میزان انتقال انرژی به واسط جابهجایی سیال میباشد. برای این منظور باید ضریب انتقال حرارت در فرآیند موردنظر مشخص باشد تا بتوان از طریق آن میزان سطح موردنیاز برای مبادله انرژی حرارتی را محاسبه کرد. برای سیالات متداول حامل انرژی این مسئله تا حدود زیادی حل شده و روابطی برای این منظور تدوین شده است. لیکن با مطرح‌شدن استفاده از نانوسیالات در انتقال انرژی، بحث تعیین ضریب انتقال حرارت جابهجایی در این سیالات نیز به وجود آمده است.
۱-۶-۸-۱ جابهجایی اجباری در نانوسیالات
مقدار انتقال حرارت جابهجایی اجباری نتیجه حرکت توده سیال میباشد. حرکت سیال میتواند بر اثر اعمال یک نیروی خارجی، نظیر نیروی منتقل‌شده به سیال توسط پمپ ایجاد شود. به‌وسیله جابهجایی اجباری یک سیال روی یک سطح با دمایی متفاوت با دمای سیال میتواند انتقال حرارت صورت گیرد. نرخ انتقال حرارت جابهجایی توسط معادله قانون سرمایش نیوتن قابل‌محاسبه میباشد.

برای دانلود متن کامل پایان نامه به سایت  ۴۰y.ir  مراجعه نمایید.

(۱-۵۰)

در رابطه بالا شار انتقال حرارت، h ضریب انتقال حرارت جابهجایی، Tدمای سطح و T دمای سیال است. در برآورد میزان حرارت مبادله شده بین سطح و سیال مهم‌ترین مسئله تعیین مقدار ضریب انتقال حرارت جابهجایی است.
۱-۶-۸-۲ مدل‌های ریاضی تعیین ضریب انتقال حرارت جابهجایی نانوسیالات
در بررسی مسئله انتقال حرارت جابهجایی برای یک سیال پایه عاری از ذرات نانومتری ضریب انتقال حرارت جابهجایی را از طریق روابط تجربی و نیمه تجربی و با توجه به خواص فیزیکی سیال و نیوتنی و غیر نیوتنی بودن آن میتوان تعیین کرد.
ازجمله روابطی که برای انتقال حرارت جابهجایی توسط سیال پایه بکار میرود میتوان به معادلات زیر اشاره کرد. [۳۹].