در مقاله ای که توسط احمد و همکاران]۱۹[ انجام شد، بررسی عددی انتقال حرارت در نانوسیال با ذرات اکسید آلومینیوم ، اکسیدمس و اکسید سیلیسیم و سیال پایه اتیلنگیلکول در کانال با مقطع مثلثی در حالت جریان آرام، در حضور مولد گردابه، با عدد رینولدز در محدوده ۱۰۰-۸۰۰ انجام شد و مشاهده شد که برای نانوسیال اتیلنگیلکول-اکسید سیلیسیم در عدد رینولدز ۸۰۰ و کسر حجمی۶% ، عدد ناسلت حدود ۵۰% بیشتر از حالت رینولدز برابر ۱۰۰ است.
( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )
بنگ و هو [۸] [۲۰] در تحقیقی متفاوت به بررسی پارامترهای مطرح در طراحی یک سیستم با بهره گرفتن از نانوسیال پرداختند. آنها با اشاره به روابط حاکم بر مشخصات ترمو فیزیکی نانو سیالات گوناگون، بیان کردند که مطالعات و آزمایش‌های بیشتری نیاز است تا بتوان از عملکرد سیستمی که بر اساس استفاده از نانو سیال طراحی شده است مطمئن گردید.
شریعت[۹] و همکاران [۲۱] جریان آرام جابجایی مختلط نانوسیال آب-اکسید آلومینیوم را در لوله افقی با سطح مقطع بیضوی مورد مطالعه قرار دادند. آنها برای تحلیل خود از روش دو فاز ترکیبی بهره بردند و به اثر تغییرات پارامترهای مختلف از جمله درصد حجمی نانو ذرات و عدد ریچاردسون بر روی تغییرات عدد ناسلت و ضریب اصطکاک پوسته‌ای پرداختند.
تاهیر و متال[۱۰] [۲۲] با بهره گرفتن از مدل‌سازی عددی جابجایی اجباری نانو سیال آب-اکسید آلومینیوم به روش دو فاز اویلر-لاگرانژ در یک لوله و تغییر پارامترهای مختلف (قطر ذرات، عدد رینولدز و درصد حجمی ذرات نانو) تلاش کردند تا رابطهای بر حسب پارامترهای مورد نظر ارائه کنند به نحوی که بتواند میزان بهبود ضریب انتقال حرارت جابجایی را پیش‌بینی کند، که این رابطه به صورت زیر ارائه شد:
(۲-۳)
وانگ پنگ[۱۱] و همکاران [۲۳] به بررسی روش‌های تحلیل عددی و دقت آنها پرداختند. آنها تحلیل خود را با سه روش تکفاز همگن، دو فاز اویلر-اویلر و دو فاز اویلر-لاگرانژ انجام داده و با نتایج تجربی مشابه مقایسه کردند. نهایتاً دریافتند که از بین مدل های مورد استفاده، مدل اویلر-لاگرانژ دقیق‌ترین تحلیل را ارائه میدهد، درحالی‌که مدل تکفاز از کمترین دقت برخوردار است.
۲-۳-مطالعات تجربی انتقال حرارت جابجایی در مقیاس نانو
پنتزلی[۱۲] و همکاران [۲۴] عملکرد نانوسیال آب- اکسید مس را در مبادله کن گرمایی صفحهای به صورت آزمایشگاهی مورد ارزیابی قرار دادند. داده های آنها نشان میداد که علاوه بر خواص فیزیکی، نوع جریان داخل مبادله کن هم تأثیر به سزایی در میزان انتقال گرما دارد.
برگمن[۱۳] [۲۵] اثرات کاهش ظرفیت گرمایی ویژه نانوسیال را در جریان جابجایی اجباری آرام و تک فاز به صورت آزمایشگاهی مورد مطالعه قرار داد. او نشان داد که با وجود کاهش در ظرفیت گرمایی ویژه، انتقال حرارت برای نانوسیال در مقایسه با آب بهتر است.
دانگتونگسوک[۱۴] و ونگویسز[۱۵] [۲۶] مشخصههای میدان جریان و انتقال گرمای نانوسیال آب- اکسید تیتانیوم با غلظت ۲/۰ درصد را در انتقال حرارت جابجایی اجباری در یک مبدل گرمایی جریان مخالف دو لولهای به صورت آزمایشگاهی مورد مطالعه قرار دادند. ضریب انتقال حرارت جابجایی و ضریب اصطکاک در رژیم جریان توربولانی به دست آمد. ذرات ۲۱ نانومتری در این مطالعه مورد ارزیابی قرار گرفتند. افزایش ۶ تا ۱۱ درصدی در ضریب انتقال حرارت در مقایسه با مایع پایه حاصل شد. ضریب انتقال گرما با افزایش دبی جرمی آب داغ و نانوسیال افزایش مییافت. افت فشار نانوسیال به میزان کمی در مقایسه با مایع پایه افزایش یافت. نتایج این مطالعه نشان میدهد که معادله نیلینسکی قادر به پیش بینی صحیح ضریب انتقال حرارت جابجایی نانوسیال نیست.
انگوین و همکاران [۲۷] به صورت آزمایشگاهی، انتقال حرارت جابجایی نانوسیال آب- اکسید آلومینیوم را در خنک کاری ریزپردازندهها[۱۶] و سایر قطعات الکترونیکی بررسی کردند. رژیم جریان آشفته در نظر گرفته شد. داده های آزمایشگاهی نشان میدهد که اضافه کردن نانوذرات به مایع، انتقال حرارت را به میزان زیادی افزایش میدهد. برای غلظت ۸/۶ درصد از نانوذرات، ضریب انتقال حرارت،۴۰ درصد در مقایسه با آب افزایش یافت. همچنین مشخص شد که ذرات ۳۶ نانومتری، ضریب انتقال حرارت را در مقایسه با ذرات ۴۷ نانومتری، بیشتر افزایش می دهند.
سامرز[۱۷] و همکاران [۲۸] و [۲۹] در یک کار جامع علاوه بر اندازه‌گیری هدایت حرارتی، ویسکوزیته، دانسیته و ظرفیت گرمایی ویژه برای نانو سیال اکسید آلومینیوم- پروپانول تا غلظت ۳ درصد وزنی به آزمایش‌هایی بر روی جریان این نانو سیال در داخل لوله مسی که آب گرم تا سقف ۲۵۰ وات حرارت داده میشد، پرداختند. آنها در ملاحظات خود افت فشار و انتقال حرارت را بررسی کردند و مشاهده کردند افت فشار برای نانو سیال یک درصد وزنی ۴۰۰ تا ۶۰۰ درصد افزایش داشته زمانی که (جریان آرام) و در مورد انتقال حرارت زمانی که ضریب انتقال حرارت جابجایی از ۲۰۰ تا ۳۰۰ وات بر مترمربع بر کلوین برای سیال خالص پروپانول و ۲۰۰ تا ۳۸۰ وات مترمربع بر کلوین برای نانو سیال یک درصد وزنی اندازه گیری گردید.
زینلی هریس ]۳۰[ به بررسی آزمایشگاهی انتقال حرارت جابجایی آرام در نانوسیال آب-اکسیدمس و آب- اکسیدآلومینیوم درون لوله با شرط دمای ثابت دیواره پرداخت. او دریافت که ضریب انتقال حرارت جابجایی با افزایش عدد پکله افزایش مییابد و این افزایش در نانوسیال آب- اکسیدآلومینیوم بیشتر ازنانوسیال آب- اکسیدمس است. در تحقیق دیگری که توسط این فرد]۳۱[ در سال ۲۰۰۷ انجام گرفت، مشخص شد که اضافه کردن ذرات اکسید آلومینیوم با کسر حجمی ۵/۲% منجر به افزایش۴۰% در ضریب انتقال حرارت میانگین از دیواره می‌شود. همچنین تحقیق آزمایشگاهی دیگری توسط زینلی هریس ]۳۲ [با موضوع بررسی انتقال حرارت جابجایی اجباری در حالت جریان آرام و با بهره گرفتن از نانوسیال آب- اکسید آلومینیوم در کانالی با مقطع مثلث متساوی الاضلاع و در حالت شار ثابت در دیواره انجام شد و معلوم شد که ضریب انتقال حرارت آزمایشگاهی نانوسیال بیشتر از ضریب انتقال حرارتی آزمایشگاهی آب خالص است و نیز این ضریب انتقال حرارت بیشتر از حالت محاسبه شده در تئوری است. همچنین این آزمایش نشان داد که میزان نرخ انتقال حرارت با افزایش درصد حجمی‌ذرات نانوسیال و افزایش عددپکله، افزایش مییابد.
وفایی و ون[۱۸] [۳۳] در یک کار جدید انتقال حرارت جابجایی نانو سیال آب- آلومینا را در میکرو کانال تحت بررسی قرار دادند. آنها مقدار کاهش انتقال حرارت را در ناحیه ورودی مشاهده کردند، اما عمده افزایش انتقال حرارت در ناحیه کاملاً توسعه‌یافته بدست آمد.
اسیروتم[۱۹] و همکاران [۳۴] انتقال حرارت حالت دائم نانوسیال آب- اکسید مس با غلظت ۳ درصد را در یک لوله مسی به صورت آزمایشگاهی بررسی کردند. تأثیر دبی جرمی بین ۰۱۱۳/۰ تا ۰۱۳۹/۰ کیلوگرم بر ثانیه و دمای ورودی ۱۰ تا ۱۷ درجه سلسیوس در ضریب انتقال حرارت در جریان آرام بررسی شده است. نتایج، بهبود ۸% در ضریب انتقال حرارت جابجایی حتی با وجود غلظت حجمی کم را نشان میدهد. با افزایش عدد رینولدز، مقدار این بهبود افزایش مییابد. خواص ترموفیزیکی نانوسیال و حرکت آشفتهی ذرات که روند تغییر انرژی را شتاب میدهد به عنوان مهمترین دلایل افزایش انتقال حرارت در نظر گرفته شد. بر اساس داده های به دست آمده، رابطهای برای ضریب انتقال حرارت جابجایی نانوسیال بر اساس خواص انتقال و نسبت لوله استخراج شده است که تغییر عدد ناسلت موضعی در مسیر جریان نانوسیال را پیش‌بینی می کند. همخوانی خوبی (% ۱۰±) بین نتایج آزمایشگاهی و روابط مشاهده شد.
کیم[۲۰] و همکاران [۳۵] در یک مطالعه آزمایشگاهی، مشخصههای انتقال حرارت نانو سیالات در جریان آرام و آشفته داخل لوله با شرط مرزی شار حرارتی ثابت را بررسی کردند. نانو ذرات مورد استفاده، اکسید آلومینیوم و نانو ذرات کربنی در آب بودند. در نانوسیال آب- اکسید آلومینیوم با غلظت ۳ درصد، افزایش ضریب هدایت حرارتی و ضریب انتقال حرارت جابجایی به ترتیب ۸ و ۲۰ درصد بود. برای نانو ذرات کربنی، ضریب هدایت حرارتی مشابه با آب بود درحالی‌که ضریب انتقال حرارت آن در حالت جریان آرام، ۸ درصد افزایش نشان میداد. نتایج این مطالعه نشان میدهد که افزایش در ضریب انتقال حرارت جابجایی خیلی بیشتر از افزایش در ضریب هدایت حرارتی است.
لای[۲۱] و همکاران [۳۶] انتقال حرارت جابجایی آب- اکسید آلومینیوم را در لولهای به قطر ۰۲/۱ میلیمتر به صورت آزمایشگاهی برای نواحی در حال توسعه و کاملاً توسعه‌یافته مطالعه کردند. شرط مرزی در این مطالعه، شار حرارتی ثابت بود. افت فشار نیز اندازه گیری شد. طول ورودی گرمایی با افزایش غلظت، افزایش یافت. همچنین ضریب انتقال حرارت جابجایی با افزایش دبی جرمی افزایش مییابد.
نصراصفهانی و فتوکیان]۳۷[ به بررسی تجربی انتقال حرارت جابجایی اجباری در جریان مغشوش و میزان افت فشار توسط نانوسیال اکسیدمس-آب درون لوله پرداختند. در آزمایشی مشابه، دانگ سوک و ونگ وایز]۳۸[ نیز به بررسی تجربی انتقال حرارت جابجایی اجباری در جریان مغشوش و میزان افت فشار توسط نانوسیال اکسید تیتانیوم-آب پرداختند.
بن منصور[۲۲] و همکاران [۳۹] جریان آرام جابجایی مختلط نانوسیال آب-اکسید آلومینیوم را در لوله مایل به صورت آزمایشگاهی مورد مطالعه قرار داده و به بررسی اثر غلظت نانو ذرات و توان ورودی جهت تولید شار حرارتی ثابت پرداختند. همچنین آنها توانستند جهت محاسبه عدد ناسلت در لوله افقی و قائم روابطی را ارائه کنند.
ذبیحی و همکاران]۴۰[ در سال ۲۰۱۳ مطالعه همزمان آزمایشگاهی و عددی برای نانوسیال آب-اکسیدآلومینیوم در حالت جریان آرام در کانال با مقطع مثلث متساوی الاضلاع و شار حرارتی ثابت در دیواره را انجام دادند که نتیجه آن افزایش نرخ انتقال حرارت با افزایش غلظت حجمی‌نانوذرات بود. همچنین نتایج آزمایشگاهی و عددی نزدیک به هم و قابل قبولی برای میزان افزایش دما و افزایش ضریب انتقال حرارت جابجایی در طول کانال بدست آمد.
۲-۴ -تحقیقات انجام‌شده در زمینه ضریب هدایت حرارتی
ایستمن[۲۳] و همکاران [۴۱]، ضریب هدایت حرارتی نانو سیالات شامل نانو ذرات اکسید آلومینیوم، مس و اکسید مس در دو مایع مختلف (آب و روغن HE-200) را اندازه گیری کردند. آنها در این مطالعه به افزایش ۶۰ درصدی در ضریب هدایت حرارتی مایع با غلظت ۵ درصد از نانو ذرات دست یافتند.
نتایج چو و همکاران [۴۲] نشان داد که تغییرات هدایت حرارتی با غلظت غیرخطی است. رابطه غیرخطی بین هدایت حرارتی و غلظت نانو ذرات در نانو سیال آهن-اتیلن گلیکول نیز مشاهده شده است [۴۳]. مرشد[۲۴] و همکاران [۴۴]همین رفتار غیرخطی را در نانو سیالات TiO2 و آب مشاهده کردند.
ماسودا[۲۵] و همکاران [۴۵] گزارش کردند که مخلوط کلوئیدی ذرات جامد نانو متری (با ابعاد ۱۰-۶۰ نانو متر) به شدت پایدار بوده و ته نشینی در مورد آنها در حالت سکون هفته‌ها طول می‌کشد. همچنین گزارش شده است که ذرات Al2O3 با ابعاد ۱۳ نانومتر در آب در کسر حجمی ۴/۳ درصد، ضریب هدایت حرارتی آب را تا ۳۰ درصد افزایش میدهد .
ژو و زو[۲۶] [۴۶] با مد نظر قرار دادن اندازه و ابعاد ذرات و نیز تأثیرات بین فازی ذرات جامد و سیال، مدلهای جدیدی را برای پیش‌بینی ضریب هدایت حرارتی نانو سیال ارائه داده‌اند و مدلهای پیشنهادی را در مورد نانو سیال آب- اکسید آلومینیوم و روغن موتور- نانو لوله‌های کربن استفاده نمودند و نشان دادند که نتایج حاصل تطابق خوبی با مقادیر تجربی دارند.
کونداراجو[۲۷] و همکاران [۴۷] برای هدایت حرارتی نانو سیالات مدل عددی مستقیمی را بر پایه دیدگاه اویلری- لاگرانژی شبیه‌سازی کردند . آنها مطالعات خود را بر روی نانو سیالات آب-مس با قطر ذرات ۱۰۰ نانومتر و آب- اکسید آلومینیوم با قطر ذرات ۸۰ نانومتر انجام دادند. مدل عددی آنها تطابق خوبی با نتایج تجربی حاصل کرده است.
پراکاش و گیانلیس[۲۸] [۴۸] در یک کار عددی ضریب هدایت حرارتی را برای نانو سیالات آب- آلومینا و اتیلن گلیکول-آلومینا محاسبه کردند. همچنین آنها بیان کردند که میکرو-جابجایی نانو ذرات آلومینا در اعداد رینولدز و پرانتل به حساب آمده است. آنها امیدوار بودند این کار به یک مدل مفهومی جامع برای بیان ضریب هدایت حرارتی نانو سیال منجر شود.
ژوان و لی[۲۹] [۶] اندازه گیریهایی بر روی نانو سیالات آب- مس و روغن ترانسفورماتور- مس انجام دادند. غلظتهای نانو ذرات از ۲ تا ۵ درصد و اندازه ذرات در حدود ۱۰۰ نانومتر بود. آنها دریافتند، انتخاب ماده مناسبی به عنوان پخش‌کننده می تواند پایداری سوسپانسیون را بهبود ببخشد. آنها از اسید اولیک[۳۰] در نانوسیال مس– روغن ترانسفورماتور و از نمک لورت[۳۱] برای نانوسیال مس- آب استفاده کردند. در این مطالعه مشاهده شد که نانوسیال مس- روغن ترانسفورماتور دارای خواص حرارتی بهتری از نانوسیال مس- آب است. در ۰۰میکرو گراف‌های TE از نانو ذرات مس در روغن ترانسفورماتور و نانو ذرات مس در آب نشان داده شده است. تعدادی از محققان [۴۹] و [۵۰] از هیچگونه پخش‌کننده‌ای استفاده نکردند، به دلیل آنکه این مواد میتوانند روی هدایت گرمای نانوسیال تأثیرگذار باشند.
شکل (۲-۱): میکرو گراف نانوسیال روغن ترانسفورماتور- مس در PH=6.3، (a) برای غلظت ۲ درصد و (b) برای غلظت ۵ درصد [۴۹]
شکل(۲-۲): میکرو گراف نانوسیال روغن آب- مس در PH=6.8، (a) برای غلظت ۵ درصد و (b) برای غلظت ۵/۷ درصد [۴۹]
ژی[۳۲] و همکاران [۵۱] اثر تغییرات دما و غلظت را بر روی ضریب هدایت حرارتی نانو سیالات شامل نانو ذرات اکسید مس (۲۹ نانومتری) و اکسید آلومینیوم (۳۶ نانومتری) در آب به صورت آزمایشگاهی بررسی کردند. نتایج این مطالعه نشان میدهد که جنس نانو ذرات، اندازه و غلظت نانو ذرات و همچنین دمای سیال، اثرات بارزی بر روی ضریب هدایت حرارتی نانو سیالات دارند. به عنوان مثال با افزایش دما از ۲۷ درجه سلسیوس تا ۷/۳۴ درجه سلسیوس در نانوسیال آب- اکسید آلومینیوم، ضریب هدایت حرارتی ۳ برابر شد.
ژنگ[۳۳] و همکاران [۵۲]، ضریب هدایت حرارتی و نفوذ حرارتی نانو سیالات تولوئن-طلا، آب-اکسید آلومینیوم، آب-اکسید تیتانیوم و آب-اکسید مس را اندازه گیری کردند. قطرهای نانو ذرات کروی طلا، اکسید آلومینیوم، اکسید تیتانیوم و اکسید مس به ترتیب ۵۶/۱، ۲۰، ۴۰ و ۳۳ نانومتر بودند. نتایج این مطالعه نشان میدهد که میزان افزایش، خیلی بیشتر از سوسپانسیونهای معمولی نبوده و مدلهای مربوط به سوسپانسیونهای معمولی مانند مدل همیلتون-کروسر به خوبی، ضریب هدایت حرارتی نانو سیالات مورد مطالعه در این کار را پیش بینی می کنند. آنها همین طور ضریب هدایت حرارتی و نفوذ حرارتی نانوسیال آب- نانو لوله‌ی کربنی را اندازه گیری کردند. طول و قطر میانگین نانو لوله‌ها به ترتیب ۱۰ میکرومتر و ۱۵۰ نانومتر بود. آنها در این مطالعه نشان دادند که میزان افزایش در ضریب هدایت حرارتی مانند سوسپانسیونهای معمولی بوده و افزایش غیرعادی در ضریب هدایت حرارتی مشاهده نشد.
لیو[۳۴] و همکاران [۵۳] ضریب هدایت حرارتی اتیلن گلیکول و روغن موتور صنعتی شامل نانو لوله‌های کربنی را مورد اندازه گیری قرار دادند. برای اتیلن گلیکول افزایش ۴/۱۲ درصدی در غلظت ۱ درصد و برای روغن موتور افزایش ۳۰ درصدی در غلظت ۲ درصد حاصل شد.
کورکیونه[۳۵] [۵۴] با بهره گرفتن از نتایج آزمایشگاهی تلاش کرد که روابطی را برای پیش‌بینی لزجت و ضریب هدایت حرارتی نانو سیالات ارائه کند به نحوی که برای گستره وسیعی از انواع نانو سیالات دماهای مختلف و با اندازه ذرات متفاوت کارآمد باشد. یکی از مزیت‌های روابط ارائه‌شده وابسته بودن آنها به دما می‌باشد.
۲-۵-نتیجه‌گیری
با وجود آنکه ضریب هدایت حرارتی، چگالی، گرمای ویژه و لزجت، پارامترهای مؤثری روی عملکرد انتقال حرارت نانو سیالات هستند، اما مزیت استفاده از نانو سیالات با مشخص شدن ضریب انتقال حرارت جابجایی تعیین میگردد. اگر نانو سیالات بتوانند ضریب انتقال حرارت را افزایش دهند، آنها میتوانند باعث کاهش اندازه سیستمها، افزایش بهرهوری سوخت و انرژی و کاهش آلودگی گردند. برای رسیدن به این هدف نیاز است که عملکرد انتقال حرارت نانو سیالات در کاربردهای خاص به دست آید. تا به حال، تحقیقات اندکی در این زمینه انجام شده است و نیاز به پژوهش‌های بیشتر در این زمینه احساس می‌شود.
فصل۳
مبانی تحلیل
۳-۱ مقدمه
در این فصل با توجه به هدف اصلی پژوهش حاضر که مدل‌سازی جریان انتقال حرارت اجباری نانو سیالات می‌باشد، مختصراً مبانی و اصول لازم جهت نیل به هدف مورد نظر را مرور می‌کنیم. بدین منظور ابتدا انتقال حرارت جابجایی در جریان داخلی کانال را مورد مطالعه قرار میدهیم.
۳-۲-انتقال حرارت جابجایی در جریان داخلی درون کانال
پیش از هر چیز جا دارد که به بررسی سازوکارهای انتقال گرما در داخل کانال پرداخته و به اختصار معادلات حاکم بر جریان سیال را شرح دهیم.
۳-۲-۱ جابجایی اجباری
