پایان نامه تحلیل عددی رفتار انواع نانو سیال در حفره های بلند

پایان نامه کارشناسی ارشد

گرایش تبدیل انرژی

چکیده :

افزایش انتقال حرارت و همچنین افزایش راند مان انرژی با توجه به محدودیت منابع طبیعی و کاهش هزینه­ها همواره یکی از اساسی ترین دغدغه­های مهندسین و محققین بوده است. این امر به خصوص در سیالات به دلیل کوچکی ضریب رسانش حرارتی از اهمیت بیشتری برخوردار است. یکی از مهمترین راه­های دستیابی به این امر ،که در سال­های اخیر به آن توجه زیادی شده، افزودن ذرات جامد با رسانش حرارتی بالا در ابعاد نانو می باشد. جریان جابه­جایی طبیعی در داخل حفره، که تنها عامل محرک در آن نیروی شناوری می­باشد، به علت تنوع کاربرد در بخش مهندسی و صنعت،  یکی از پدیده­های مهم به شمار می­آید که بطور گسترده در علم انتقال حرارت مورد مطالعه قرار گرفته است. هدف از این تحقیق بررسی اثر ذرات نانو در انتقال حرارت وجریان سیال و همچنین تاثیر قطر ذرات برآن در حفره قائم­الزاویه با نسبت منظری­های متفاوت (0.1،0.2،0.25،0.5،0.75،1=L/H ) می­باشد. در این تحقیق از دو سیال پایه­ی آب و اتیلن گلیکول و سه نوع نانو ذره­ی جامد مس (Cu)، اکسید تیتانیم (TiO3) و اکسید آلومینیم(Al2O3)برای چهار نسبت حجمی متفاوت ( 0،0.025،0.05،0.1=φ ) استفاده شده است. جریان آرام و در محدوده فرض بوزینسک در نظر شده و نتایج برای سه عدد رایلی 105، 106 و 107 ارائه گردیده است. جهت مدلسازی جریان از الگوریتم سیمپل استفاده شده و نتایج حاصل برای جریان تراکم ناپذیر ارائه گردیده است . به این ترتیب با استفاده از برنامه عددی نوشته شده امکان مدلسازی انتقال حرارت در جریان آرام سیال با استفاده از فرض بوزینسک فراهم گردیده است. نتایج نشان داده است که نانو ذرات معلق در سیال باعث افزایش نرخ انتقال حرارت در هر عدد رایلی و نسبت منظری می­شود. همچنین نتایج نشان داده است که عدد ناسلت ماکزیمم و عدد ناسلت متوسط با افزایش نسبت حجمی ذرات نانو افزایش می­یابند. همچنین بیشترین مقدار ناسلت متوسط برای نانوذره­ی مس (Cu) مشاهده شده است. مقایسه­ی نتایج حاصل از حل جریان با محققان پیشین نشان دهنده­ی همخوانی قابل قبول این نتایج می­باشد.

واژه‌های کلیدی: انتقال حرارت (Heat Transfer)، نانوسِیال (Nanofluid)، تراکم ­ناپذیر(Incompressible) ، حفره (Cavity)، نسبت منظری (Aspect ratio)

فصل اول

مقدمه

هدف از انجام این تحقیق شبیه­سازی جریان جابجایی طبیعی نانوسیال است. بر این اساس و به منظور آشنایی بیشتر با ویژگی­های این تحقیق، نیاز به درک بهتر مفاهیم مطرح شده مثل جابجایی طبیعی، خواص نانوسیال و جریان نانوسیال است. این فصل هر یک از مفاهیم فوق را به­طور جداگانه معرفی کرده و ویژگی­ها و پیچیدگی­های آن­ها را به شکل اجمالی مطرح می­نماید.

1-1- جابجایی طبیعی

یکی از مسایل بسیار مهم در مکانیک سیالات حرکت سیالات در طبیعت و صنعت است که مهندسان همه­ روزه با آن سروکار دارند. برخی از جریانات حاصل از جابجایی طبیعی[1] ناشی از نیروی ارشمیدس است. در مبحث انتقال حرارت صفت "طبیعی"، به جریان­هایی اختصاص می­یابد که نتیجه اختلاف چگالی جرمی هستند، درحالیکه وقتی جریان در اثر گرادیان فشار و یا شرایط مرزی سرعت اتفاق می­افتد، جابجایی اجباری[2] اصطلاح مناسب­تری است. بعضی از نویسندگان و محققین، بین جابجایی طبیعی داخلی (در محوطه بسته) و خارجی (اطراف اشیا) دچار اشتباه می­گردند. الگو­های رفتاری این دو متفاوت از هم بوده و دومی جابجایی آزاد[3] نیز نامیده می­شود. اختلاف چگالی در اثر اختلاف فاز، اختلاف غلظت و یا دما ایجاد می­شود. حباب­های بخار در آب نمونه­ای از حالت اول هستند. قانون ارشمیدس بیان می­کند که نیروی خالص به طرف بالا که به حباب وارد می­شود، برابر است با شتاب جاذبه ضرب­ در اختلاف بین جرم جابجا شده از آب و جرم بخار حباب، که این نیروی شناوری باعث بالا رفتن حباب می­شود. حرکت­های نفوذی نمونه­ای از حالت دوم هستند که در آن، طبیعت سعی می­کند غلظت محلول را در جهت ماکزیمم کردن آنتروپی یکسان کند. مسأله­ای که در پیش روست، مثالی برای حالت سوم است که از این به بعد به بررسی آن پرداخته می­شود. به عنوان بخشی از کاربردهای صنعتی و مهندسی و نمونه­های عملی این جریان، می­توان به موارد زیر اشاره کرد:

 جابجایی هوا و تهویه در داخل بناها و ساختمان­ها، تانکرهای ذخیره مایعات، ساختار سلول­های خورشیدی، خنک کاری تجهیزات الکترونیکی، انتقال حرارت طی رشد کریستال­ها و جریان بین دیواره­های رآکتور هسته­ای.

می­دانیم وقتی قسمتی از سیال نسبت به قسمت دیگر گرم­تر باشد، منبسط شده و چگالی آن کم می­شود. به همین دلیل است که گردابه­های حرارتی در اتمسفر و اقیانوس­ها ایجاد می­گردند و یا بالن­هایی که با هوای گرم پر می­شوند، بالا می­روند.  جابجایی­های طبیعی به دو دسته تقسیم می­گردند که هر کدام با الگو­های رفتاری خاصی مشخص می­شوند. اولین دسته که "گرمایش از سطح زیرین"[4] نام دارد، در اثر حرارت دادن یک صفحه زیرین که سیال سردتری در روی آن در جریان است، ایجاد می­گردد. مشخصه اصلی این دسته، وجود ساختارهای بزرگ و منسجم در سیال مانند پلوم­ها[5]، سلول­های حرارتی[6] و سلول­های رایلی-بنارد[7] است. دومین دسته به "گرمایش از کناره­ها"[8] معروفند که صفحه عمودی گرم ساده­ترین مثال این دسته به شمار می­رود. مشخصه اصلی این دسته هم گرادیان­های شدید دما و سرعت در لایه­های مرزی است.

امروزه، تحقیقات مکانیک سیالات در این خصوص به دو زمینه مطالعاتی محدود می­شود. زمینه مطالعاتی اول اندازه­گیری تجربی داده­های جریان و دیگری، شبیه سازی عددی معادلات ریاضی حاکم بر جریان است. مطالعه در هر کدام از این زمینه­ها مشکلات مخصوص به خود را دارد. کار تجربی از نااطمینانی­هایی که در شرایط مرزی وجود دارد و همچنین مشکل اندازه واقعی مدل رنج می­برد و معمولا پر هزینه­تر از روش عددی است. هر چند برای اثبات درستی روش عددی و بدست آوردن فرضیات و ثوابت تجربی، روش تجربی همواره لازم است. اما اگر یک مدل عددی برای حالت خاصی به کمک داده­های تجربی تأیید شود، نتایج آن مدل برای حالت­های مشابه نیز قابل استناد است، بدون اینکه برای آن حالت­ها نیاز به هزینه کار تجربی باشد و این نقطه قوت شبیه سازی عددی است.

1-2- نانوسیال

گرمایش و سرمایش یک سیستم توسط سیال در بسیاری از صنایع مانند صنایع الکترونیک، نیروگاه­ها، دستگاه­های نوری ،آهنرباهای ابر رسانا، کامپیوتر­های فوق سریع، موتورهای ماشین و بسیاری از کارخانجات از اهمیت زیادی برخوردار است. تمامی سیستم­های خنک کننده وگرمایشی بر پایه انتقال حرارت طراحی 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. بطور معمول سیستم­های خنک کننده با هوا بیشتر مورد استفاده قرار گرفته و قابل اطمینان­تر هستند. اما زمانیکه نیاز به شار حرارتی[9] بالا و انتقال حرارت سریع وجود دارد، از مایعاتی مانند آب، اتیلن گلیکول و مایعات مناسب دیگر استفاده می­شود که محدودیت حرارتی دارند. سیالات معمول مورد استفاده برای انتقال حرارت دارای ضریب رسانش حرارتی پایین می­باشند، در حالی که فلزات دارای رسانش حرارتی بالاتر از سه برابر اینگونه سیالات می­باشند. بنابراین استفاده از ذرات جامد فلزی و ترکیب آن­ها با اینگونه سیالات برای افزایش ضریب رسانش حرارتی و در نتیجه افزایش راندمان حرارتی بسیار مطلوب به نظر می­رسد.

ماکسول در سال 1881[10] [1] برای اولین بار بحث افزایش ذرات جامد به سیال را مطرح کرد و رابطه­ای برای ضریب رسانش حرارتی مخلوط سیال خالص و ذرات جامد ارائه نمود. سالها استفاده از سوسپانسیون سیال و ذرات جامد بسیار کوچک در ابعاد میکرو مورد توجه محققین بوده است. اما این سیالات با ذرات جامد معلق در حد میکرومتر[11] مشکلات فراوانی مانند رسوب گذاری، ناخالصی، خوردگی و افزایش افت فشار و... داشته­اند تا اینکه ابتدا ماسودا و همکاران [2] و سپس چویی [3] ایده نانوسیال[12] را برای اولین بار مطرح نمودند و انقلاب بزرگی در زمینه انتقال حرارت در سیالات پدید آوردند. همچنین به مقدار زیادی خوردگی، ناخالصی و مشکلات افت فشار به دلیل کوچک بودن ذرات کاهش پیدا کرد و از طرفی پایداری برخی سیالات در مقابل رسوب­گذاری بطور چشم­گیری بهبود یافت. نانوتکنولوژی بطور کلی معرف روش جابجایی تک­تک اتم­ها و آرایش آن­ها به صورت دلخواه می­باشد. به همین سبب اندازه و ابعاد کاری این مجموعه بسیار کوچک­اند که البته پیشوند نانو بیانگر حدود این فناوری است. نانوسیال عبارت است از ذرات بسیار ریز جامد در ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر[13] معلق در یک سیال پایه. بطور معمول نانوذرات از جنس فلزاتی مانند مس، آلومینیوم، پتاسیم، سیلیسم و اکسیدهای آن­ها و سیالات پایه نیز عمدتا از سیالات با رسانایی پایین مانند آب، اتیلن گلیکول و سیالاتی از این دسته که در صنعت به عنوان هادی انتقال حرارت مورد استفاده قرار می­گیرند، می­باشند. در سال­های اخیر افزایش ذرات جامد به سیال به دلیل افزایش خواص حرارتی سیال و در نتیجه افزایش انتقال حرارت مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته است. تحقیقات محققین نشان می­دهد که ضریب رسانش حرارتی در نانوسیال حدود 15 تا 40 درصد و راندمان حرارتی حدود 40 درصد نسبت به سیال پایه افزایش می یابد [4].

1-3- تولید نانوسیال

بهبود خواص حرارتی نانوسیال احتیاج به انتخاب روش تهیه مناسب این سوسپانسیون‌ها[14] دارد تا از ته‌نشینی و ناپایداری آن­ها جلوگیری شود. متناسب با کاربرد، انواع بسیاری از نانوسیالات از جلمه نانوسیال اکسید فلزات[15]، نیتریت‌ها، کاربید فلزات و غیرفلزات که به وسیله یا بدون استفاده از پایدار کننده­ها در سیالاتی مانند آب، اتیلن گلیکول[16] و روغن به وجود آمده است. مطالعات زیادی روی چگونگی تهیه نانوذرات و روش‌های پراکنده‌سازی آن­ها درسیال پایه انجام شده است که در اینجا بطور مختصر چند روش متداول‌که برای تهیه نانوسیال وجود دارد ذکر خواهد شد.

یکی از روش‌های متداول تهیه نانوسیال، روش دو مرحله‌ای است. در این روش ابتدا نانوذره معمولاً به وسیله روش رسوب بخار شیمیایی [17](CVD) در فضای گاز بی‌اثر به صورت پودرهای خشک تهیه می‌شود در مرحله بعد نانوذره در داخل سیال پراکنده می‌شود. برای این کار از روش‌هایی مانند لرزاننده‌های مافوق صوت و یا از سورفکتانت‌ها استفاده می‌شود تا توده‌های نانوذره‌ای به حداقل رسیده و باعث بهبود رفتار پراکندگی شود. روش دو مرحله‌ای برای بعضی موارد مانند اکسید فلزات در آب دیونیزه شده بسیار مناسب است و برای نانوسیالات شامل نانوذرات فلزی سنگین بدلیل تمایل آن­ها به انباشتگی، کمتر موفق بوده است. روش دو مرحله‌ای دارای مزایای اقتصادی بالقوه‌ای است؛ زیرا شرکت‌های زیادی توانایی تهیه نانوپودرها در مقیاس صنعتی را دارند.

روش یک مرحله‌ای نیز به موازات روش دو مرحله‌ای پیشرفت کرده است، بطور مثال نانوسیالاتی شامل نانوذرات فلزی با استفاده از روش تبخیر مستقیم تهیه شده‌اند. در این روش، منبع فلزی تحت شرایط خلاء تبخیر می‌شود و تراکم توده نانوذرات به حداقل خود می‌رسد، اما فشار بخار پایین سیال یکی از معایب این فرایند محسوب می‌شود، ولی با این حال روش‌های شیمیایی تک مرحله‌ای مختلفی برای تهیه نانوسیال به وجود آمده است که از آن جمله می‌توان به روش احیای نمک فلزات و تهیه سوسپانسیون آن در حلال‌های مختلف برای تهیه نانوسیال فلزات اشاره کرد. مزیت اصلی روش یک مرحله‌ای، کنترل بسیار مناسب روی اندازه و انباشتگی کمتر نانوذرات نسبت به روش دو مرحله­ای است.

Abstract

According to the limitation of natural resources and also in order to decrease the costs, the increase of both heat transfer and efficiency of energy was always one of the main concerns of engineers and researchers. This case is more important for fluids because of their small thermal conductivity coefficient. One of the most important ways to achieve this goal, which is paid more attention during recent years, is adding solid nano particles with high thermal conductivity.

Natural convection flow in a cavity, which the buoyancy force is the only motivation factor of it, is one of the important events because of the various applications of its usage in engineering and industry and is studied widely in heat transfer science.

The main aim of this survey is studying the effect of solid nano particles and the effect of diameter of particles on heat transfer and fluid flow in a cavity with aspect ratios of L/H=0.1, 0.2, 0.25, 0.75 and 1. In this survey the base fluids water and Ethylene Glycol and three kinds of solid nano particles CU, TiO3 and Al2O3 are used for four different volume fraction f = 0, 0.025, 0.05 and 0.1. In this survey the fluid is assumed laminar and within the Boussinesq approximation and the results are given for three Rayleigh numbers of 105, 106 and 107 . A simple algorithm is used in order to model the fluid and the results are given for incompressible fluid. So by using the numerical code, it will be possible to model the heat transfer in a laminar flow using the Boussinesq approximation. Comparing our results with previous investigators shows the very good acceptable conformity of them. The present results illustrate that the suspended nanoparticles substantially increase the heat transfer rate at any given Rayleigh number and aspect ratio. In addition, the results illustrate that the average and maximum Nusselt number increase with an increase in volume fraction of nanoparticles. As is observed, the highest values of Nusselt number are obtained when using Cu nanoparticles.