موضوع:
شبیه سازی عددی جریان نانوسیال غیرنیوتنی در میکروکانال
اساتید راهنما:
پروفسور علی اکبر رنجبر
دکتر عباس رامیار
بهمن ۱۳۹۱
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
متن پایان نامه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
چکیده:
تحقیقات در زمینه انتقال حرارت سوسپانسیون‌های با ذرات جامد در ابعاد نانومتر درون سیال پایه در دهه اخیر آغاز شده است. تحقیقات اخیر در زمینه نانوسیالات، نشان داده است که افزودن نانوذرات باعث افزایش چشمگیری در انتقال حرارت سوسپانسیون میشود. از راه‌های مرسوم دیگر جهت بهبود عملکرد حرارتی دستگاه‌ها، استفاده از کانال‌ها با ابعاد میلی و میکرو است. با توجه به گستردگی و اهمیت سیالات غیرنیوتنی در صنایع گوناگون، هدف از این تحقیق بررسی عددی جریان و انتقال حرارت نانوسیال غیرنیوتنی در رژیم جریان آرام درون میکروکانال است.
در پایان‌نامه حاضر، از ترکیب نانوسیال محلول ۵/۰% وزنی کربوکسی متیل سلولز- اکسید تیتانیم با قطر نانوذرات nm10 و کسرهای حجمی متفاوت برای بررسی اختلاط جریان در کانال و میکروکانال استفاده شده است. از مدل تک‌فازی برای حل معادلات استفاده شده است. برای حل معادلات، یک کد عددی دو بعدی به زبان فرترن نوشته شده است. برای گسسته‌سازی معادلات حاکم از روش حجم محدود استفاده شده است. برای تولید شبکه، از آرایش شبکه همجا استفاده شده و معادلات کوپل فشار و سرعت نیز با بهره گرفتن از الگوریتم سیمپل تغییر یافته حل شده‌اند. در نهایت تأثیر پارامتر اتلاف لزجی که در جریان سیال در کانال‌هایی با ابعاد معمول اهمیت چندانی ندارند و در میکروکانالها حائز اهمیت میشود مورد مطالعه قرار گرفته‌است.
کلمات کلیدی: نانوسیال غیرنیوتنی، میکروکانال، انتقال حرارت جابجایی، شبکه همجا.
فهرست مطالب
فصل اول: معرفی. ۱
مقدمه ۲
۱-۱ مروری بر روش های افزایش انتقال حرارت. ۲
۱-۱-۱ میکروکانالها. ۲
۱-۱-۱ مواد افزودنی به مایعات. ۳
۱-۲ نانوسیال ۳
فصل دوم: نانوسیال و تعیین خواص آن ۴
مقدمه ۵
۲-۱ کاربردهای نانوسیال ۵
۲-۲ پارامترهای تأثیرگذار بر ضریب هدایت حرارتی. ۶
۲-۳ تعیین خواص نانوسیال ۶
۲-۳-۱ دانسیته ۷
۲-۳-۲ ظرفیت گرمایی ویژه. ۷
۲-۳-۳ ضریب هدایت حرارتی. ۷
۲-۳-۴ لزجت دینامیکی. ۸
فصل سوم: میکروکانال ۹
مقدمه ۱۰
۳-۱ دلایل گرایش به ابعاد میکرو. ۱۰
۳-۲ دسته‌بندی کانال‌ها از لحاظ ابعاد. ۱۰
۳-۳ اثرات ابعادی در میکروکانال ۱۱
۳-۳-۱ اثر ورودی. ۱۱
۳-۳-۳ اتلاف لزجی. ۱۳
فصل چهارم: سیالات غیرنیوتنی. ۱۴
مقدمه ۱۵
۴-۱ معرفی سیالات غیرنیوتنی. ۱۶
۴-۲ رفتار مستقل زمانی سیال ۱۷
۴-۲-۱ رفتار نازک برشی. ۱۸
۴-۲-۱-۱ معادله سیال توانی یا استوالد دی وائل. ۱۹
۴-۲-۱-۱ معادله ویسکوزیته کراس ۲۱
۴-۲-۱-۳ معادله سیال الیس ۲۱
۴-۲-۲ رفتار ویسکو-پلاستیک سیال ۲۱
۴-۲-۳ رفتار ضخیم برشی یا دیلاتانت. ۲۴
۴-۳ رفتار وابسته زمانی سیال ۲۶
۴-۴ رفتار ویسکو الاستیک سیال ۲۶
فصل پنجم: بررسی کارهای انجام شده. ۲۸
مقدمه ۲۹
۵-۱ جریان در میکروکانال ۲۹
۵-۲ نانوسیال ۳۳
۵-۳ سیال و نانوسیال غیرنیوتنی. ۳۶
۵-۴ نانوسیال در میکروکانال ۴۴
۵-۵ سیال غیرنیوتنی در میکروکانال ۴۶
فصل ششم: معادلات حاکم ۵۰
مقدمه ۵۱
۶-۱ معادلات حاکم ۵۱
۶-۲ بررسی و گسسته سازی معادلات حاکم ۵۳
۶-۲-۱ معادله ممنتم در جهت x 54
۶-۲-۲ معادله انرژی. ۵۶
۶-۲-۳ حل معادله فشار. ۵۸
فصل هفتم: نتایج. ۶۱
مقدمه ۶۲
۷-۱ کانال ۶۲
۷-۱-۱ خواص رئولوژیکی نانوسیال ۶۳
۷-۱-۱ درستی آزمایی کد ۶۴
۷-۱-۲ حل مستقل از شبکه ۶۵
۷-۱-۳ نتایج. ۶۶
۷-۲ میکروکانال همگرا ۷۶
۷-۲-۱ حل مستقل از شبکه ۷۶
۷-۲-۲ نتایج. ۷۷
۷-۲ میکروکانال ۹۰
۷-۲-۱ حل مستقل از شبکه ۹۱
۷-۲-۲ نتایج. ۹۲
فصل هشتم: نتیجه‌گیری و پیشنهادات. ۱۰۹
مراجع ۱۱۱
فهرست شکلها
عنوان
|
شماره صفحه |
| شکل ۳-۱ شکل ناحیه ورودی برای سیالی با Pr>1 ]7[ |
۱۲ |
| شکل ۴-۱ منحنی‌های جریان کیفی برای انواع مختلف سیالات غیرنیوتنی[chhabra] |
۱۸ |
| شکل ۴-۲ نمایش ویسکوزیته‌های یک محلول پلیمری در برش صفر و برش بی نهایت[chhabra] |
۲۰ |
| شکل ۴-۳ داده‌های تنش برشی-نرخ برش برای شیره گوشت و محلول کربوپول که به ترتیب رفتار بینگهام و ویسکو-پلاستیک نشان می‌دهند[chhabra] |
۲۵ |
| شکل ۴-۴ داده‌های تنش برشی- نرخ برش برای سوسپانسیون‌های TiO2 که رفتار ضخیم برشی نشان می‌دهند[chhabra] |
۲۵ |
| شکل ۶-۱ مقایسه شبکه الف) همجا و ب) غیرهمجا |
۵۸ |
| شکل ۶-۲ توزیع فشار غیر یکنواخت در یک شبکه همجا |
۵۹ |
| شکل ۶-۳ یک المان در شبکه همجا |
۵۹ |
| شکل ۷-۱ هندسه کانال دوبعدی با دیواره‌های دما ثابت |
۶۳ |
| شکل ۷-۲ هندسه کانال ساده دوبعدی با دیواره‌های دما ثابت |
۶۴ |
| شکل ۷-۳ درستی آزمایی کد |
۶۴ |
| شکل ۷-۴ درستی‌آزمایی کد در مقایسه با کار سانترا و همکاران ]۶۸[ |
۶۵ |
| شکل ۷-۵ تغییرات شار حرارتی در دیواره بالا در کسر حجمی‌های مختلف نانوسیال در Rel=400 و nRe=1/5 |
۶۷ |
| شکل ۷-۶ توزیع ضریب اصطکاک در دیواره بالایی در کسر حجمی‌های مختلف نانوسیال در Rel=200 و nRe=1/5 |
۶۸ |
| شکل ۷-۷ توزیع عدد ناسلت در دیواره بالا در کسر حجمی ۰۱/۰ نانوسیال به ازای مقادیر مختلف عدد رینولدز در ورودی دوم |
۶۹ |
| شکل ۷-۸ توزیع تنش برشی در دیواره بالا در کسر حجمی ۰۱/۰ نانوسیال CMC- اکسید مس به ازای مقادیر مختلف عدد رینولدز در ورودی دوم |
۶۹ |
| شکل ۷-۹ عدد ناسلت متوسط به ازای مقادیر مختلف عدد رینولدز و کسر حجمی |
۷۰ |
| شکل ۷-۱۰ توزیع عدد ناسلت روی دیوار بالا برای Rel=200، nRe=1/5، =۰/۰۱ و مقادیر مختلف قطر ورودی دوم |
۷۱ |
شکل ۷-۱۱ توزیع تنش برشی روی دیوار بالا برای Rel=200، nRe=1/5، =۰/۰۱ و مقادیر مختلف قطر ورودی دوم
|
۷۲ |
| شکل ۷-۱۲ عدد ناسلت متوسط روی دیوار بالا برای Rel=200، nRe=1/5 و ۰۱/۰ و مقادیر مختلف طول کانال |
۷۳ |
| شکل ۷-۱۳ توزیع خط جریان به ازای Rel=200 و nRe=1/5 و a) 01/0 و b) 04/0 |
۷۴ |
| شکل ۷-۱۴ خطوط جریان برای ۰۱/۰ و nRe=1/5 و a)Rel=200 و b) Rel=400 |
۷۵ |
شکل ۷-۱۵ میکروکانال همگرای مورد بررسی
|
۷۶ |
| شکل ۷-۱۶ نتایج حل مستقل از شبکه برای هندسه میکروکانال همگرا |
۷۷ |
| شکل ۷-۱۷ عدد ناسلت متوسط روی دیوار پایین برای AR=3،=۳o α و مقادیر مختلف کسر حجمی و عدد رینولدز |
۷۸ |
| شکل ۷-۱۸ عدد ناسلت متوسط روی دیوار پایین برای AR=3 و ۰۱/۰ و مقادیر مختلف عدد رینولدز و α |
۷۸ |
| شکل ۷-۱۹ تنش برشی متوسط روی دیوار پایین برای AR=3 و ۰۱/۰ و مقادیر مختلف عدد رینولدز و α |
۷۹ |
| شکل ۷-۲۰ مقایسه پروفیل سرعت خط مرکزی کانال برایRe=300 ، ۰۴/۰ ، =۳ oα و مقادیر مختلف نسبت منظر برای دو سیال نیوتنی و غیرنیوتنی |
۸۰ |
| شکل ۷-۲۱ توزیع عدد ناسلت روی دیوار پایین برای Re=300 ، ۰۴/۰ ، =۳ oα و مقادیر مختلف نسبت منظر کانال |
۸۱ |
| شکل ۷-۲۲ توزیع تنش برشی روی دیوار پایین برای Re=300 ، ۰۴/۰ ، =۳ oα و مقادیر مختلف نسبت منظر کانال |
۸۱ |
| شکل ۷-۲۳ توزیع عدد ناسلت روی دیوار پایین برای سیال نیوتنی و Re=300 ، ۰۴/۰ ، =۳ oα و مقادیر مختلف نسبت منظر کانال |
۸۲ |
| شکل ۷-۲۴ پروفیل سرعت در انتهای کانال برای Re=600،۰۴/۰ ، AR=3/0 و مقادیر مختلف α |
۸۳ |
| شکل ۷-۲۵ پروفیل سرعت در انتهای کانال برای Re=300، ۰۴/۰ ، =۳ oα و مقادیر مختلف نسبت منظر کانال |
۸۳ |
| شکل ۷-۲۶ خطوط جریان در ۰۴/۰ ، AR=3، =۳ oα و a)Re=100 b)Re=300 و c)Re=600 |
۸۵ |
| شکل ۷-۲۷ خطوط جریان در Re=300، ۰۴/۰ ، =۳ oα و a)AR=1، b)AR=2، c)AR=3 و d)AR=6 |
۸۷ |
| شکل ۷-۲۸ خطوط جریان و گردابه‌ها به ازای Re=600، ۰۴/۰ ، AR=3 و a) =2o α، b) =3o α و c) =5o α |
۸۹ |
| شکل ۷-۲۹ توزیع بردار سرعت برای Re=600، ۰۴/۰ ، AR=3 و =۳o α |
۸۹ |
| شکل ۷-۳۰ هندسه و شرایط مرزی میکروکانال مورد بررسی |
۹۰ |
| شکل ۷-۳۱ اندیس تابع نمایی وابسته به دما و کسر حجمی برای نانوسیال CMC/TiO2 ]73[ |
۹۱ |
| شکل ۷-۳۲ اندیس سازگاری وابسته به دما و کسر حجمی برای نانوسیال CMC/TiO2 ]73[ |
۹۱ |
| شکل ۷-۳۳ توزیع عدد ناسلت روی دیوار بالا در Rel=400، nRe=1/5 و مقادیر مختلف کسر حجمی |
۹۳ |
| شکل ۷-۳۴ توزیع تنش برشی روی دیوار بالا در Rel=400، nRe=1/5 و مقادیر مختلف کسر حجمی |
۹۴ |
| شکل ۷-۳۵ توزیع عدد ناسلت روی دیوار بالا در ۰/۰۱= ، Rel=100 و مقادیر مختلف عدد رینولدز در ورودی دوم |
۹۴
|
| شکل ۷-۳۶ توزیع تنش برشی روی دیوار بالا در ۰/۰۱= ، Rel=100 و مقادیر مختلف عدد رینولدز در ورودی دوم |
۹۵ |
| شکل ۷-۳۷ عدد ناسلت متوسط روی دیوار بالا به برای مقادیر مختلف عدد رینولدز و کسر حجمی |
۹۶ |
| شکل ۷-۳۸ تنش برشی متوسط روی دیوار بالا به برای مقادیر مختلف عدد رینولدز و کسر حجمی |
۹۶ |
| شکل ۷-۳۹ توزیع عدد ناسلت روی دیوار بالا برای Rel=400، nRe=1/5، =۰/۰۴ و مقادیر مختلف قطر ورودی دوم |
۹۷ |
| شکل ۷-۴۰ توزیع تنش برشی روی دیوار بالا برای Rel=400، nRe=1/5، =۰/۰۴ و مقادیر مختلف قطر ورودی دوم |
۹۸ |
| شکل ۷-۴۱ عدد ناسلت متوسط روی دیوار بالا در Rel=200، nRe=1/5 و مقادیر مختلف طول کانال |
۹۹ |
| شکل ۷-۴۲ تنش برشی متوسط روی دیوار بالا در Rel=200، nRe=1/5 و مقادیر مختلف طول کانال |
۹۹ |
| شکل ۷-۴۳ اثر ترم اتلاف لزجی روی انتقال حرارت در Rel=400، nRe=1/5 و ۰۱/۰ |
۱۰۰ |
| شکل ۷-۴۴ عدد ناسلت متوسط روی دیوار بالا برای Rel=400، nRe=1/5 با تغییر محل ورودی دوم |
۱۰۱ |
| شکل ۷-۴۵ تنش برشی متوسط روی دیوار بالا برای Rel=400، nRe=1/5 با تغییر محل ورودی دوم |
۱۰۲ |
| شکل ۷-۴۶ پروفیل سرعت در مرکزکانال در Rel=400، nRe=1/5 و مقادیر مختلف کسر حجمی و تغییر محل ورودی دوم |
۱۰۲ |
| شکل ۷-۴۷ توزیع عدد ناسلت روی دیوار بالا برای Rel=600، nRe=1/5 و ۰۴/۰ و مقادیر مختلف شار حرارتی روی دیوار بالا |
۱۰۳ |
| شکل ۷-۴۸ مقایسه پروفیل سرعت توسعه یافته برای سیال نیوتنی و سیال غیرنیوتنی خالص و نانوسیال غیرنیوتنی |
۱۰۴ |
| شکل ۷-۴۹ پروفیل سرعت در Rel=600، nRe=1/5، ۰۱/۰ و x های مختلف |
۱۰۵ |
| شکل ۷-۵۰ توزیع خط جریان به ازای Rel=400 و nRe=1/5 و a) 0/0 و b) 04/0 |
۱۰۶ |
| شکل ۷-۵۱ خطوط جریان برای ۰/۰ و nRe=1/5 و a)Rel=400 و b) Rel=600 |
۱۰۷ |
| شکل ۷-۵۲ خطوط جریان به ازای ۰۴/۰ و nRe=1/5 و در Rel=400 a) با در نظر گرفتن ترم اتلاف ویسکوز و b) بدون در نظر گرفتن ترم اتلاف ویسکوز |
۱۰۸ |
فهرست جدول‌ها
| عنوان |
شماره صفحه |
| جدول ۲-۱ خواص برخی سیال‌ها و نانوذرات |
۷ |
| جدول ۳-۱ دسته بندی انواع کانال از لحاظ قطر هیدرولیکی |
۱۱ |
| جدول ۴-۱ مقادیر ویسکوزیته برخی سیالات معمول در دمای اتاق |
۱۶ |
| جدول ۷-۱ خواص رئولوژیکی نانوسیال CMC- اکسید تیتانیم در دمای ۲۵oC |
۶۳ |
| جدول ۷-۲ نتایج حل مستقل از شبکه برای ماکروکانال |
۶۶ |
| جدول ۷-۳ خواص رئولوژیکی وابسته به دما برای نانوسیال CMC- اکسید تیتانیم |
۹۲ |
| جدول ۷-۴ نتایج حل مستقل از شبکه برای میکروکانال |
۹۲ |
مقدمه
گرمایش و سرمایش یک سیستم توسط سیال در بسیاری از صنایع مانند صنایع الکترونیک، نیروگاهها، دستگاههای نوری، آهنرباهای ابر رسانا، کامپیوترهای فوق سریع و موتور اتومبیل از اهمیت زیادی برخوردار است. سیستمهای خنک‌کننده وگرمایشی بر پایه روشهای مختلف انتقال حرارت طراحــی میشوند. با توجه به این امر توسعه تکنیکهای موثر انتقال حرارت با توجه به محدودیت منابع طبیعی و تمایل به کاهش هزینهها بسیار ضروری میباشد. در این فصل ابتدا روشهای بهبود انتقال حرارت را دسته‌بندی کرده و سپس در مورد روش‌هایی که در این پایان‌نامه به کار گرفته خواهند شد، با جزئیات بیشتری شرح داده خواهد شد.
۱-۱ مروری بر روش های افزایش انتقال حرارت
در چند دهه اخیر به منظور صرفه‌جویی در مصرف انرژی و مواد اولیه و با در نظر گرفتن مسائل اقتصادی و زیست‌محیطی تلاش‌های زیادی برای ساخت دستگاههای تبادل کننده حرارتی پربازده صورت پذیرفته است که هدف اصلی آنها کاهش اندازه وسایل حرارتی مورد نیاز برای یک بار حرارتی معین و افزایش ظرفیت انتقال حرارت میباشد. با نگاهی کلی بر کارهای انجام شده در این زمینه، میتوان روش‌هایی که برای این کار ارائه شده است را به دو دسته کلی تقسیم کرد:
- روشهای غیر فعال که نیازی به اعمال نیروی خارجی ندارند.
- روشهای فعال که نیازمند توان خارجی میباشند.
از روشهای غیر فعال میتوان به استفاده از سطوح گسترده، مبدل‌های حرارتی فشرده، مجاری با مقاطع غیر مدور، افزایش انتقال حرارت گردابه‌ای، میکروکانالها، پوشش‌دهی و پرداخت سطح ، موجی‌کردن سطح و. و از روشهای فعال نیز میتوان همزدن مکانیکی، سطوح چرخنده، نوسان سطح، نوسان سیال ، استفاده از میدان الکتریکی، تزریق و مکش را اشاره کرد با توجه به اینکه در پایان‌نامه پیش رو، از دو عامل میکروکانالها و مواد افزودنی به مایعات استفاده شده است، این‌دو روش مختصرا شرح داده خواهند شد. برای توضیحات بیشتر می‌توانید به رامیار ]۷[ مراجعه کنید.
۱-۱-۶ میکروکانالها
یکی دیگر از روشهای افزایش انتقال حرارت، استفاده از میکروکانالها میباشد. استفاده از این روش در صنایع و دستگاههای متفاوتی نظیر سرمایش قطعات الکترونیکی، مبدل‌هایِ حرارتیِ میکروکانال، سرمایش و روان‌سازی سیستمهای روباتیک، سیستمهای میکرو الکترومکانیکی و میکرورآکتورها کاربرد دارند. اساس کار میکروکانالها افزایش نسبت سطح انتقال دهنده حرارت میباشد.
۱-۱-۱۰ مواد افزودنی به مایعات
افزودن ذرات جامد به صورت معلق در سیال پایه یکی از روشهای افزایش انتقال حرارت میباشد. افزایش ضریب هدایت حرارتی ایده اصلی در بهبود مشخصه های انتقال حرارت سیالات است. از آنجا که ضریب هدایت حرارتی ذرات جامد فلزی معمولاً بزرگتر از سیالات میباشد، انتظار میرود افزودن این ذرات جامد موجب افزایش ضریب هدایت حرارتی سیال پایه گردد. افزودن ذرات با اندازه میلی‌متر و میکرومتر بیش از ۱۰۰ سال است که شناخته شده میباشد [۲] اما استفاده از این ذرات بدلیل مشکلات عملی نظیر ته‌نشین شدن سریع ذرات، ایجاد سایش شدید، افزایش افت فشار و عدم امکان استفاده از آنها در مجاری بسیار کوچک، میسر نیست. یکی دیگر از این روشها تزریق گاز به داخل مایعات میباشد. با تزریق هوا به آب و اتیلن گلیکول افزایش تا ۴۰۰% در ضریب انتقال حرارت مشاهده شده است [۳].
۱-۲ نانوسیال
پیشرفتهای اخیر در مهندسی مواد و توسعه فناوری‌های جدید زمینه را برای تولید ذرات با اندازه نانومتر (نانو مواد) فراهم کرده است. با پخش کردن این مواد در سیال نوع جدیدی از سیال به وجود میآید که نانوسیال نامیده میشود. ایده اصلی در این روش در واقع از همان روشِ اضافه کردن ذرات جامد به سیال گرفته شده است. نانو مواد خواص حرکتی و حرارتی سیال را به شدت تحت تاثیر قرار می‌دهند. نانو ذرات در مقایسه با ذرات در اندازه میلی‌متر یا میکرومتر دارای سطح تماس بیشتری هستند که قابلیت انتقال انرژی را بین ذرات جامد و سیال افزایش میدهد. مزیت دیگر این نوع سیال کوچک بودن نانوذرات پخش شده در آن است. این ذرات دارای ممنتوم کمتری هستند که در نتیجه از خوردگی دیواره لوله‌ها و کانال‌ها جلوگیری میشود. امکان ته نشین شدن این ذرات بدلیل وزن کم آن کمتر است. در فصل دوم درباره نانوسیال، خواص و ویژگیهای آن به تفصیل توضیح داده شده است.
فصل دوم
نانوسیال و تعیین خواص آن
مقدمه
یکی از راه‌های بهبود فرآیند انتقال حرارت در مبدل‌های حرارتی، افزودن موادی با ضریب هدایت حرارتی بالا به سیال است. محققان سال‌ها بر روی استفاده از مخلوط ذرات جامد معلق بسیار کوچک در ابعاد میکرو در سیال برای بهبود انتقال حرارت کار کردند. اما این سیالات مشکلات فراوانی مانند رسوب گذاری، ناخالصی، خوردگی و افزایش افت فشار و. داشته اند تا اینکه در سال ۱۸۸۱ ایده استفاده از ذرات برای اولین بار توسط ماکسول [۲] مطرح شد و انقلاب بزرگی در زمینه انتقال حرارت در سیالات پدید آمد. در واقع او دیدگاه تازهای را در مورد سوسپانسیون سیال جامد با ذراتی در ابعاد نانو مطرح کرد. اولین بار ماسودا و همکاران [۵] این سیال حاوی ذرات معلق را با نام ” نانوسیال” معرفی کردند و بعد از آنها چوی [۶] در آزمایشگاه آرگون آمریکا این مفهوم را به طور گسترده‌ای توسعه داد.
نانوسیال عبارت است از ذرات بسیار ریز جامد در ابعاد بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر معلق در یک سیال پایه. بطور معمول نانوذرات از جنس فلزاتی مانند مس، آلومینیوم، پتاسیم، سیلیسیم و اکسیدهای آنها و همچنین نانولوله‌های کربن و سیالات پایه نیز عمدتا از سیالات با رسانایی نسبتاً پایین‌تر مانند آب، اتیلن گلیکول و سیالاتی از این دسته که در صنعت به عنوان هادی انتقال حرارت مورد استفاده قرار میگیرند، میباشند. نانوذرات نسبت به ذرات بزرگتر مانند میکروذرات، بسیار پایدارتر بوده و سطح تماس بیشتری با ناحیه سیال دارند. در واقع دو مشخصه اصلی نانوسیال یکی پایداری بسیار زیاد و دیگری ضریب هدایت حرارتی بسیار بالای آن است. همچنین به دلیل کوچک بودن ذرات، تا حد زیادی مشکلات خوردگی و افت فشار کاهش پیدا میکند و همچنین پایداری برخی سیالات در مقابل رسوبگذاری بطور چشمگیری بهبود مییابد.
۲-۱ کاربردهای نانوسیال
از نانوسیال میتوان برای بهبود انتقال حرارت و افزایش راندمان در سیستمهای مختلف انرژی همانند خنک‌کاری اتومبیل‌ها و موارد مشابه استفاده کرد. در حال حاضر تعداد مؤسسات صنعتی و تحقیقاتی که در حال بررسی استفاده از نانوسیال در محصولات خود هستند در حال افزایش است. در مورد زمینه‌های مختلف کاربرد نانوسیال، چه آنان که بصورت بالقوه وجود دارند و چه آنهایی که بصورت بالفعل در آمده‌اند، بطور مختصر میتوان به کاربردهای آن در صنعت حمل و نقل، خنک کاری صنعتی، رئوکتورهای اتمی، استخراج انرژی از منابع گرمایی و دیگر منابع انرژی، خنک کاری قطعات الکترونیکی، زمینه‌های نظامی، کاربردهای فضایی، زمینه‌های پزشکی و انتقال دارو نام برد. برای کسب اطلاعات کامل در زمینه تولید و کاربرد نانوسیالات می‌توانید به رامیار [۷] مراجعه کنید.
۲-۲ پارامترهای تأثیرگذار بر ضریب هدایت حرارتی
نتایج اولیه تجربی از بررسی انتقال حرارت نانوسیال در کانال‌هایی با هندسه‌های مختلف، حاکی از بهبود شدید در ضریب هدایت حرارتی و به تبع آن، ضریب انتقال حرارت جابجایی بود. تحقیقات متعددی برای بررسی علت این رفتار غیر متعارف صورت گرفت و حتی برخی از مقالات در سالهای اخیر این رفتار را رد کردند. عوامل مؤثر بر خواص انتقال حرارتی نانوسیال عبارتند از:
کسر حجمی، جنس نانوذرات، نوع سیال، اندازه نانوذرات، شکل نانوذرات، دما، حرکت براونی، خوشه‌ای شدن، لایه‌ای شدن در اطراف نانوذره، ترموفورسیس، دیفیوژئوفورسیس.
برای توضیحات بیشتر در مورد هر یک از این عوامل می‌توانید به رامیار [۷] مراجعه فرمایید.
۲-۳ تعیین خواص نانوسیال
تاکنون محققان بسیاری در زمینه بدست آوردن خواص نانوسیالات پژوهش‌های متعددی انجام داده‌اند. در جدول ۲-۱خواص برخی سیال‌ها و نانوذرات آورده شده است. در این پژوهش از نانوذره TiO2 استفاده شده است. همانطور که در قسمت قبل نیز اشاره شد، با توجه به تغییر غیر طبیعی خواص نانوسیال، بخصوص ضریب انتقال حرارت هدایتی و لزجت دینامیکی، تلاش‌های زیادی در جهت شناخت عواملی که منجر به این تغییرات میشوند و دستیابی به رابطه مناسب برای تعیین این خصوصیات صورت گرفته است. در این بخش به بررسی روابط استفاده شده در این پژوهش پرداخته میشود
گرمایش و سرمایش یک سیستم توسط سیال در بسیاری از صنایع مانند صنایع الکترونیک، نیروگاهها، دستگاههای نوری، آهنرباهای ابر رسانا، کامپیوترهای فوق سریع، موتور اتومبیل و . حائز اهمیت است. با توجه به طراحــی سیستمهای خنک‌کننده و گرمایشی بر پایه روشهای مختلف انتقال حرارت و محدودیت منابع طبیعی و تمایل به کاهش هزینهها ، توسعه تکنیکهای موثر انتقال حرارت بسیار ضروری میباشد. در این فصل بطور مختصر، برخی از اثرات و نتایج در ابعاد میکرو مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
۳-۱ دلایل گرایش به ابعاد میکرو
فرآیند انتقال حرارت به مساحت سطح دیواره بستگی دارد که برای هندسه دایروی با قطر لولهD متناسب است، در حالیکه دبی حجمی سیال عبوری با سطح مقطع سیال متناسب است که بطور خطی با D2 تغییر میکند. بنابراین نسبت مساحت دیواره به حجم سیال که معیاری از نسبت گرمای دفع شده توسط کانال مورد نظر به دبی سیال عبوری یا حجم سیال موجود است و در طراحی مبدل‌های حرارتی بخصوص میکرو مبدل‌ها از اهمیت زیادی برخوردار است، با ۱/D تغییر میکند. بنابراین با کاهش قطر، نسبت مساحت دیواره به حجم سیال و کارآیی حرارتی مبدل افزایش مییابد. بنابراین با کاهش قطر هیدرولیکی کانال، نسبت سطح به حجم آن و در نتیجه کارآیی حرارتی آن افزایش مییابد.
۳-۲ دسته‌بندی کانال‌ها از لحاظ ابعاد
معیارهای مختلفی برای دسته‌بندی کانال‌ها وجود دارد. همانطور که در بخش بعد خواهیم گفت، نتایج برخی تحقیقات حاکی از تغییر رفتار سیال در ابعاد کوچک است. در مورد اینکه آیا این تغییرات اصولاً وجود دارند یا اینکه در صورت وجود برای یک هندسه کانال خاص از چه قطر هیدرولیکی اتفاق می‌افتند، اختلاف وجود دارد، اما آنچه که در مورد آن توافق کلی وجود دارد، عدم تبعیت گاز از شرط عدم لغزش در دیواره کانال در ابعاد خیلی کوچک است. جدول ۳-۱ دسته‌بندی کانال‌ها را از لحاظ ابعاد یا قطر هیدرولیکی نشان میدهد که با توجه به نتایج موجود، به نظر میرسد محدوده میکروکانال آن بر اساس لغزش سیال انتخاب شده است[۷].
۳-۳ اثرات ابعادی در میکروکانال
با توجه به فرضیاتی که در رسیدن به معادلات حاکم بر جریان سیال در کانال‌هایی با ابعاد معمول از آنها استفاده میشود، همانند فرض جریان پایا و خواص ثابت سیال، به نظر میرسد که با تغییر ابعاد کانال، معادلات برقرار هستند. اما با دقت بیشتر مشاهده خواهد شد که برخی از فرضیات در ابعاد خیلی کوچک برقرار نیستند یا برخی موارد جدید باید درنظر گرفته شوند که بر معادلات حاکم تأثیر خواهند گذاشت. در این قسمت به بررسی اجمالی اثر ترم اتلاف لزجی، که در این پایان‌نامه مورد بررسی قرار گرفته است، بر شرایط فیزیکی جریان پرداخته خواهد شد. برای بررسی مفصل این اثرات می‌توانید به رامیار ]۷[ مراجعه کنید.
۳-۳-۱ اثر ورودی
عدد ناسلت در جریان آرام درون کانال‌ها، تنها برای جریان کاملاً توسعه‌یافته یعنی حالتی که پروفیل سرعت و گرادیان دما بدون تغییر باقی بمانند، ثابت است. در ناحیه ورودی، پروفیل سرعت و دما در حال توسعه میباشند و عدد ناسلت تغییر میکند. در تئوری کلاسیک دینامیک سیال، دو طول ورودی حائز اهمیت هستند:
۱- طول ورودی هیدرودینامیکی، Lh، که بعد از آن پروفیل سرعت توسعه یافته میشود.
۲- طول ورودی دما Lt که بعد از آن پروفیل دما توسعه یافته میشود.
