پایان نامه بررسی عددی تاثیر ذرات نانو در مواد تغییر فاز دهنده در یک محفظه بسته مربعی سه بعدی

فهرست:

فصل اول. 1

مقدمه. 1

1-1        مقدمه. 1

1-3 نانو تکنولوژی.. 4

1-3-1 چرا «نانو» تکنولوژی؟. 5

1-4 تاریخچه نانو فناوری.. 5

1-5 کاربرد نانو سیالات.. 6

1-6 روش­های ذخیره انرژی.. 7

1-6-1 ذخیره انرژی به صورت مکانیکی.. 7

1-6-2 ذخیره الکتریکی.. 7

1-6-3-1 ذخیره گرمای محسوس... 8

1-6-3-2 ذخیره گرمای نهان. 8

1-6-3-3 ذخیره انرژی ترموشیمیایی.. 8

1-7 ویژگی­های سیستم ذخیره نهان.. 10

1-8 ویژگی­های مواد تغییر فاز دهنده. 10

1-10-1-1 پارافین­ها 12

1-10-1-2 غیر پارافین‌ها 13

1-10-2 مواد تغییر فاز دهنده غیرآلی.. 14

1-10-2-1 هیدرات­های نمک.. 14

1-10-2-2 فلزات.. 15

1-10-3 اوتکتیک­ها 15

1-11 کپسوله کردن مواد تغییر فاز دهنده. 15

1-12 سیستم‌های ذخیره انرژی حرارتی.. 17

1-12-1 سیستم‌های گرمایش آب خورشیدی.. 17

1-13 کاربرد­های مواد تغییر فاز دهنده در ساختمان.. 17

1-14 کاربرد مواد تغییر فاز دهنده در دیگر زمینه ها 18

1-15  تکنیک­های افزایش کارایی سیستم ذخیره­ساز انرژی.. 19

1-15-1 استفاده از سطوح گسترش یافته. 19

1-15-2 استفاده از شبکهای از PCMها در سیستم. 20

1-15-3 افزایش هدایت حرارتی PCM.. 21

1-15-4 میکروکپسوله کردن PCM.. 23

فصل دوم. 25

پیشینه موضوع و تعریف مسئله. 25

2-1- مقدمه. 25

2-2- روش­های مدلسازی جریان نانوسیال. 25

2-3- منطق وجودی نانو سیالات.. 28

2-4- پارامترهای انتقال حرارت در نانوسیالات.. 31

2-4-1- انباشتگی ذرات.. 31

2-4-2- نسبت حجمی ذرات نانو. 32

2-4-3- حرکت براونی.. 33

2-4-4- ترموفورسیس... 33

2-4-5- اندازه نانوذرات.. 34

2-4-6- شکل نانوذرات.. 34

2-4-7- ضخامت لایه سیال بین ذرات نانو. 35

2-4-8- دما 36

2-5- انواع نانو ذرات.. 36

2-5-1- نانو سیالات سرامیکی.. 36

2-5-2- نانو سیالات فلزی.. 37

2-5-3- نانو سیالات، حاوی نانو لوله های کربنی و پلیمری.. 38

2-6- نظریه هایی بر نانو سیالات.. 39

2-6-1- روابط تئوری ارائه شده در زمینه ضریب رسانش حرارتی موثرنانوسیال. 39

2-6-2- کارهای تجربی انجام شده در زمینه ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال. 43

2-6-3- کارهای تجربی انجام شده در زمینه ویسکوزیته موثر نانوسیال. 44

2-7- کارهای تجربی انجام شده در زمینه­ی انتقال حرارت در نانوسیال. 44

2-8- کارهای عددی انجام شده در زمینه­ی انتقال حرارت در نانوسیال درداخل حفره‌ی مربعی   45

2-9- کارهای انجام شده در زمینه­ی تغییر فاز ماده. 45

2-10- تعریف مسئله. 48

فصل سوم. 49

معادلات حاکم و روشهای حل.. 49

3-1 فرض پیوستگی.. 49

3-2- معادلات حاکم بر رژیم آرام سیال خالص... 50

3-3- مدل بوزینسک... 51

3-4- خواص نانوسیال. 51

3-5 - معادلات حاکم بر تحقیق حاضر. 52

3-6- شرایط مرزی و اولیه. 53

3-7- روش بررسی تغییر فاز در این پژوهش... 54

3-7-1 تغییر فاز با مرز مجزا 54

3-7-2 تغییر فاز آلیاژها 54

3-7-3 تغییر فاز پیوسته. 54

3-8- معادلات حاکم بر روش آنتالپی.. 56

3-8-1 معادله حاکم بر انتقال حرارت بر پایه روش آنتالپی.. 56

3-8-2 معادلات نهایی حاکم بر انتقال حرارت بر پایه روش آنتالپی تعمیم یافته. 58

3-9  مروری بر روش­های عددی.. 61

3-9-1  روش حل تفکیکی.. 62

3-9-2 روش حل پیوسته. 64

3-9-3 خطی سازی: روش ضمنی و روش صریح. 65

3-9-4 انتخاب حل کننده 67

3-10  خطی سازی.. 69

3-10-1 روش بالادست مرتبه اول. 70

3-10-2  روش بالادست توان-پیرو 70

3-10-3 روش بالادست مرتبه دوم. 72

3-10-4 روش QUICK. 73

3-11  شکل خطی شده معادله گسسته شده. 74

3-12 مادون رهایی.. 75

3-13  حل کننده تفکیکی.. 75

3-13-1  گسسته سازی معادله ممنتوم. 75

3-13-1-1 روش درونیابی فشار 76

3-13-2  گسسته سازی معادله پیوستگی.. 77

4-13-3 پیوند فشار- سرعت.. 78

3-13-3-1 SIMPLE. 79

3-13-3-2 SIMPLEC. 80

3-13-3-3 PISO.. 80

3-14  انتخاب روش گسسته سازی.. 81

3-14-1  مرتبه اول و مرتبه دوم. 81

3-14-2 روش های توان- پیرو و QUICK. 82

3-14-3  انتخاب روش درونیابی فشار 82

3-15  انتخاب روش پیوند فشار- سرعت.. 83

3-15-1  SIMPLE و SIMPLEC. 83

3-15-2  PISO.. 84

3-17 مدلسازی­های وابسته به زمان.. 84

3-17-1 گسسته سازی وابسته به زمان. 85

3-17-2 انتگرال گیری زمانی ضمنی.. 85

3-17-3 انتگرال­گیری زمانی صریح. 86

3-17-4  انتخاب اندازه بازه زمانی.. 87

3-18 انتخاب روش­های حل.. 87

3-19 شبکه بندی و گام زمانی.. 89

3-19-1 آزمون عدم وابستگی نتایج به تعداد نقاط شبکه و گام زمانی.. 89

3-20- مراحل حل مسئله. 91

فصل چهارم. 92

بررسی نتایج عددی.. 92

4-1 اعتبار سنجی مسئله. 93

4-2  اثر افزودن نانو ذرات.. 98

4-3 بررسی اثر افزودن ذرات نانو در مدل­های گفته شده در قسمت اعتبار سنجی   114

فصل پنجم. 124

5-1 نتیجه گیری.. 124

5-2 فعالیت های پیشنهادی برای ادامه کار  ................................................................................... 126

مراجع   127

منبع:

[1]  Maxwell, J.C.,  A Treatise on Electricity and Magnetism, second ed., Oxford University Press, Cambridge, 1 (1904) 435–441.

[2]  Hamilton, R.L., and Crosser, O.K. , Thermal Conductivity of Heterogeneous two Component Systems, Industrial and Engineering Chemistry Fundamentals, 1 (1962) 187-191.

[3] Wasp, E.J., Kenny, J.P., and Gandhi, R.L., Solid – Liquid Flow Slurry Pipeline Transportation, Series on Bulk Materials Handling, Trans. Tech. Publications, 1:4, Clausthal, Germany, 1977.

[4] Masuda, H., Ebata, A., Teramae, K., Hishinuma, N., Alteration of thermal conductivity and viscosity of liquid by dispersing ultra-fine particles, Netsu Bussei 7 (1993) 227-233.

[5] Choi U.S., Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles, in Developments and application of non-newtonian flows, ASME, (1995 )99-105.

[6] Das, S.K., Putra, P., and Roetzel, w., Temperature Dependence of Thermal Conductivity Enhancement for Nanofluids, Transactions of ASME, Journal of Heat Transfer, 121 (2003) 567-574.

[7] Prakash, M., Giannelis, E. P., Mechanism of Heat Transport in Nanofluids, Journal of Computer-Aided Material Design 14 (2007) 109-117.

[8] Karthikeyan, N. R., Philip, J., Raj, B., Effect of Clustering on the Thermal Conductivity of Nanofluids, Materials Chemistry and Physics 109  )2008(  50-55.

[9] Wang, X., Xu, X., Choi, S. U. S., Thermal Conducivity of Nanoparticle-Fluid Mixture, Journal of Thermophysics and Heat Transfer 13 (1999) 474-480.

[10] Jang, S. P., Choi, S. U. S., Effects of Various Parameters on Nanofluid Thermal Conductivity, ASME Journal of Heat Transfer 129 (2007) 617-623.

[11] Jang, S. P., Choi, S. U. S., Role of Brownian Motion in the Enhanced Thermal conductivity of Nanofluids, Applied Physics Letters. 84 (2004) 4316-4318.

[12] Chon, C. H., Kihm, K. D., Lee, S. P., Choi, S. U. S., Empirical Correlation Finding the role of Temperature and Particle Size for Nanofluid (Al2O3) Thermal Conductivity Enhancement, Applied Physics Letters 87 (2005) 153107.

[13] Prasher, R., Bhattacharya, P., Phelan, P. E., Brownian-Motion-Based Convective-Conductive Model or the Effective Thermal Conductivity of Nanofluids, ASME Journal of Heat Transfer 128 (2006) 588-595.

[14] Yu, W., France, D. M., Routbort, J. L., Choi, S. U. S., Review and Comparison of Nanofluid Thermal Conductivity and Heat Transfer Enhancements, Heat Transfer Engineering 29 (2008) 432-460.

[15] Yu, C. J., Richter, A. G., Datta, A., Durbin, M. K., Dutta, P., Observation of Molecular Layering in Thin Liquid Films Using X-Ray Reflectivity, Physical Review Letters 82 (1999) 2326-2329.

[16] Ren, Y., Xie, H., Cai, A., Effective Thermal Conductivity of Nanofluids Containing Spherical Nanoparticles, Journal of Physics D: Applied Physics 38 (2005) 3958-3961.

[17] Keblinski, P., Phillpot, S. R., Choi, S. U. S., and Eastman, J. A. Mechanisms of heat flow in suspensions of nano-sized particles (nanofluids), International Journal of Heat and Mass Transfer 45 (2002) 855–863.

[18] Lee, S., Choi, S.U.S., Li, S., and Eastman, J.A., Measuring Thermal Conductivity of Fluids Containing Oxide Nanoparticles, Transaction of ASME, Journal of heat Transfer 121 (1991) 280-289.

[19] Xie, H.Q., Wang, J.C., Xi, T.G., Liu, Y., Ai, F., and Wu , Q.R., Thermal Conductivity Enhancement of Suspensions Containing Nanosized Alumina Particles  , Journal of Applied Physics  91 (2002) 4568-4572.

[20] Murshed, S. M. S., Leong, K. C., Yang, C., Enhanced thermal conductivity of TiO2 – Water based nanofluids, International Journal of Thermal Sciences 44 (2005) 367–373.

 [21] Eastman , J.A. , Choi  , S.U.S. ,L.i  , S. , Yu,w. ,and Thompson , L.J. ,Anomalously Increased Effective Thermal Conductivities of Ethylene Glycol Based Nanofluids Containing copper Nanoparticles, Applied physics Letters  78 (2001) 718-720.

[22] Patel, H.E., Das, S.K., Sundararajan, T., Sreekumaran, N.A., George, B., and Pradeep, T., Thermal Conductivities of Naked and monolayer Protected Metal nanoparticle Based Nanofluids:  Manifestation of Anomalous Enhancement and Chemical Effects, Applied Physics Letters  83 (2003) 29931 - 2933.

[23] Xie ,H.Q. ,Wang  , J.C. ,Xi ,T.G.Liu ,Y. ,and Ai ,F. , Dependence of Thermal Conductivitiy of Nanoparticles – Fiuid Mixture on the Base Fluid  , Journal of Material Science Letters  21 (2002) 1469-1471.

[24] Choi, S. U. S., Zhang, Z.G., Yu, W., Lockwood, F.E., and Grulke, E.A., Anomalous Thermal Conductivity Enhancement in Nano-Tube Suspensions, Applied Physics Letters 79 (2001) 2252-2254.

[25] Xie, H., Lee, H., Youn, W., and Choi, M., Nanofluids Containing Multiwalled Carbon Nanotubes and Their Enhanced Thermal Conductivities, Journal of Applied Physics 94 (2003) 4967-4971.

[26] Xiang – Qi Wang  , Arun S.Majumdar  , International Journal of Thermal Science 46 (2007) 1-19.

[27] Bruggement, D.A.G., Berechnung Verschiedener Physikalischer Konstsnten Von Heterogenen Substanzen , I ,Dielektrizitatskonstantenund Leitfahigkeiten der Mischkorper aus Isotropen Substanzen, Annalen der physic . Leipzig   24 (1935) 636-679.

[28] Koo, J., Kleinstreuer, C., A new thermal conductivity model for nanofluids, Journal of Nanoparticle Research 6 (2004) 577–588.

[29] Koo, J., Kleinstreuer, C., Laminar nanofluid flow in micro-heat sinks, International Journal of Heat and Mass Transfer 48 (2005b) 2652–2661.

[30] Keblinski, P., Phillpot, S.R., Choi, S.U.S., and Eastman, J.A., Mechanisms of Heat Flow in Suspensions of Nano-Sized Particles (Nanofluids), International Journal of Heat and Mass Transfer 45 (2002) 855-863.

[31] Xue, Q. and Xu, W.M., A model of Thermal Conductivity of Nanofluids with Interfacial shells, Materials Chemistry and Physics 90 (2005) 298-301.

[32] Yu, W.,  and Choi, S. U. S., The Role of Interfacial Layers in the Enhanced Thermal Conductivity of nanofluids: A Renovated Maxwell model, Journal of Nanoparticle Research 5 (2003) 167–171.

 [33] Jang, S. P., and Choi, S. U. S., Role of Brownian Motion in the Enhanced Thermal Conductivity of Nanofluids, Applied Physics Letters 84 (2004b) 4316–4318.

[34] Prasher, R., Bhattacharya, P., and Phelan, P. E., Thermal Conductivity of Nanoscale Colloidal Solutions (Nanofluids). Physical Review Letters 94 (2005) 1–4.

[35] Eastman, J. A., Choi, S. U. S., Li, S., Yu, W., Thompson, L. J., Anomalously increased effective thermal conductivities of ethylene glycol-based nanofluids containing copper nanoparticles, Applied Physics Letters 78 (2001) 718–720.

[36] Li, C. H., Peterson, G. P., Experimental investigation of temperature and volume fraction variations on the effective thermal conductivity of nanoparticle suspensions (nanofluids), Journal of Applied Physics 99 (2006) 284-314.

[37] Xiang-Qi Wang, Arun S., Mujumdar, A Review on Nanofluids - Part I: Theoretical and Numerical Investigations, Brazilian Journal of Chemical Engineering, 4 (2008) 613-630.

[38] Simha, R. The influence of Brownian movement on the viscosity of solutions, Journal of Physical Chemistry 44 (1940) 25–34.

 [39] Koo, J., Kleinstreuer, C., Impact analysis of nanoparticle motion mechanisms on the thermal conductivity of nanofluids, International Communications in Heat and Mass Transfer 32 (2005a) 1111–1118.

[40] Xuan, Y., Li, Q., Heat transfer enhancement of nanofluids, International Journal of Heat and Mass Transfer 21 (2000) 58–64.

 [41] Ding, Y., Alias, H., Wen, D., Williams, R. A., transfer of aqueous suspensions of carbon nanotubes (CNT nanofluids), International Journal of Heat and Mass Transfer 49 (2005) 240–250.

 [42] Khanafer K., Vafai K., Lightstone M., Buoyancy-driven heat transfer enhancement in a two-dimensional enclosure utilizing nanofluids, International Journal of Heat and Mass Transfer 46 (2003) 3639–3653.

[43] Ho C.J., Chen M.W., Li Z.W., Numerical simulation of natural convection of nanofluid in a square enclosure: effects due to uncertainties of viscosity and thermal conductivity, International Journal of Heat and Mass Transfer 51 (2008) 4506-4516.

[44] Abu-Nada E., Masoud Z., Hijazi A., Natural convection heat transfer enhancement in horizontal concentric annuli using nanofluids, International Communication of Heat and Mass Transfer 35 (2008) 657-665.

[45] Khodadadi J.M., Hosseinizadeh S.F., Nanoparticle-enhanced phase change materials (NEPCM) with great potential for improved thermal energy storage, International Communication of Heat and Mass Transfer 34 (2007) 534-543.

[46] Alipanah, M., Ranjbar, A.A., Hassannasab, P., Hosseinizadeh, S.F., 12th Fluid Dynamics Conference,Babol Noshirvani Univ, Of Tech., 26-28 (2009), in Persian.

 [47] Solomon, A.S., Morris, M.D., and Olszewski, M., The Development of Simulation Code for a Latent Heat Thermal Energy Storage System in a Space Station, Technical Report ORNAL -6213 (1986).

[48]  Stovall, T.K., and  Armilli, R.V.,  Transient Thermal Analysis of Three Fast  Changing Latent Heat Storage Configuration for a Space Based Power System, Proc.23 rd Intersociety Energy Conversion Energy Con (1988) 171-177.

[49] Cao, Y., and Faghri, A., Performance Characteristics of a Thermal Energy Storge Module: a Transient PCM Forced Convection Analysis, International Journal of Heat Mass Transfer  34 (1991) 93-101.

[50] Bellecci, C., and Conti, M., Phase change Thermal Storage : Transient Behavior Analysis of a solar Receiver Storage Module Using Enthalpy Method, International Journal of Heat Mass Transfer 36 (1993) 2157-2163.

[51] Bellecci, C., and Conti, M., Phase Change Energy Storage :Entropy Production irreversibiliry and Second Low Efficiency, solar Energy  53 (1994) 163-170.

[52] Maveety, J.G., and Razani.,  Energy Analysis and Optimal Removal Time for a Lithium Flauride Phase Change Material, ASME Thermodynamic Design   , Analysis and Improvement of Energy System 35 (1995) 89-96.

 [53] Couti, M., Bellecci, C., and Chararch, Ch.Ch., Thermodynamic Design of a Phase Change Thermal Storage Module, Solar Energy 118 (1996) 89-96.

 [54] Gong, Z.X., and Mujumdar, A.S.,  Exergetic Analysis of  Energy Storage Using Multiple Phase Change Material, ASME  118sep 1996.

[55] Korin, E., Reshef, R., Tshemichovesky, D., and Sher., Reducing Cold Start Emission from internal Combustion Energy by Means of a Catalytic Converter Embedded in a Phase change Material, ImechE 213 part D 1999.

[56] Vyshak, N.R., and Jilani G. Numerical analysis of latent heat thermal energy storage system, Energy Conversion and Management 48 (2007) 2161–2168.

[57] Crank, J., Free and moving boundary problems,  Clarendon press ,Oxford ,1984.

[58] Zhang, H., Prasad, V., and Moallemi, M.K., Numerical algorithm using multizone adaptive grid  generation for multiphase transport processes with moving and free boundary " ,Numerical Heat Transfer 29 (1996) 399-421.

[59] Mooreand, F.E., Bayazitoglu, Y., Melting within a spherical enclosure, Journal of Heat Transfer 104 (1982) 19-23.

[60] Morgan, K., A Numerical analysis of Freezing and Melting With Convection, Computational Methods in Applied Engineering 28 (1981) 275-284.

[61] Cao, Y., and Faghri, A.,  A numerical analysis of phase change problems including natural convection, Journal of Heat Transfer 112 (1990) 812-816.

[62] Voller, V.R., and parkash, C., A fixed grid Numerical Modeling Methodology for Convection – Diffusion Mushy Region phase change Problems  ,International  Journal of Heat and Mass Transfer 30 (1987) 1709-1719.

[63] Lo, D.C., Young, D.L., Tsai, C.C., High resolution of 2D natural convection in a cavity by the DQ method 203 (2007) 219 – 236.

[64] Duan, Q., Tan, F.L., Leong, K.C., A numerical study of solidification of n-hexadecane based on the enthalpy formulation 120 (2002) 249–258.

[65] Zivkovic, B.و  Fujii, I., An analysis of isothermal phase change of phase change material within rectangular and cylindrical containers, solar energy 70 (2001) 51-61.