توضیحات
پروژه شبیه سازی انتقال حرارت جابجایی اجباری نانوسیال در مینی کانال زیگزاگی(zigzag channel) در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT)
روش های افزایش انتقال حرارت فعال و غیرفعال:
صرفه جویی در مصرف انرژی و مواد اولیه از یک سو و میل به کوچک سازی تجهیزات و کاهش آلاینده ها از سوی دیگر در چند دهه اخیر باعث شده تا با در نظر گرفتن مسائل اقتصادی و زیست محیطی تلاش های زیادی برای ساخت دستگاه هایی با تبادل حرارتی پربازده صورت گیرد. با شناخت اصول مربوط به روش های افزایش انتقال حرارت و طراحی تجهیزات انتقال حرارت، امکان صرفه جویی هر چه بیشتر در مصرف انرژی و کاهش آلودگی زیست محیطی میسر خواهد بود. به طور کلی روش های افزایش انتقال حرارت را می توان به سه روش فعال، غیرفعال و ترکیبی دسته بندی نمود.
روش های فعال: در این روش ها از توان خارجی مانند الکتریکی، میدان های صوتی و سطوح ارتعاشی به منظور افزایش انتقال حرارت استفاده می شود.
روش های غیرفعال: در این روش ها نیاز به هیچ توان خارجی برای افزایش انتقال حرارت نمی باشد.
روش های ترکیبی: هرگاه دو و یا بیش از دو روش فعال یا غیرفعال به صورت همزمان مورد استفاده قرار گیرد، به آن روش ترکیبی گویند. عدم نیاز به عوامل خارجی در روش های غیرفعال، دلیل خوبی برای تمایل بیشتر استفاده از این روش ها به منظور حذف استفاده از توان بیشتر، کاهش مصرف انرژی و همچنین حذف تجهیزات جانبی محسوب می شود. برخی از روش های افزایش انتقال حرارت غیرفعال عبارت است از:
-زبری سطح
– تولید کننده های گردابه
– تغییر خاصیت رئولوژیکی سیال
-ریز کانال ها
– مبدل های حرارتی فشرده
– افزودنی ها به مایعات.
روش های فعال:
روش فعال به روشهایی اطلاق می گردد که نیازمند یک توان خارجی برای بهبود فرآیندها می باشد. تجهیزات کمکی مکانیکی، ارتعاش سطح، ارتعاش سیال، میدان های الکترواستاتیک، برخورد جت و اسپری نمونه ای از روش های فعال در افزایش انتقال حرارت هستند. به دلیل نیاز این روش به تجهیزات جانبی، استفاده از این روش محدودیت هایی در کاربردهای عملی ایجاد می کند.
روش های غیرفعال:
روش غیرفعال برخلاف روش قبل نیازی به اعمال نیروی خارجی ندارد. در این روش از اصلاحات سطحی و مهندسی برای لوله جریان با کمک تجهیزات متصل شده استفاده میشود. این روش نرخ انتقال حرارت را از طریق تغییر در الگوی جریان افزایش می دهد اما این امتیاز با افزایش افت فشار نیز همراه است. لوله های فنری، سطوح گسترش یافته (پره، لوور استریپ و وینگلت)، سطوح ناهموار(لوله موج دار و ریبه) و مغشوش کننده های جریان از جمله روش های غیرفعال به شمار می روند.
لوله های موجی شکل(wavy pipes):
از دیگر روشهای غیرفعال، استفاده از سطوح ناهموار مانند لوله موج دار است. این نوع لوله ها با ایجاد جریان آشفته در کنار دیواره و جدایش جریان سبب کاهش مقاومت حرارتی و افزایش انتقال حرارت می شود. از طرفی تولید این نوع لوله ها آسان تر و ارزان تر از سایر روش های بهبود انتقال حرارت نظیر مغشوش کننده ها و تولید گردابه هاست. سطوح ناهموار نرخ انتقال حرارت را از طریق افزایش شدت اختلاط بهبود می بخشند.
افزدون نانوذرات به سیالات پایه (نانوسیالات):
استفاده از سیالاتی با خواص حرارتی بهتر یکی دیگر از روشهای مؤثر افزایش انتقال حرارت در مبدلهای حرارتی می باشد. از آنجا که ضریب هدایت حرارتی یک مشخصه مهم در بهبود عملکرد حرارتی سیالات محسوب می شود، استفاده از ذرات جامد فلزی و یا غیرفلزی با هدایت های حرارتی بالا درون سیالات متداول انتقال حرارت از قبیل آب، اتیلن گلایکول و یا روغن باعث بهبود هدایت حرارتی این سیالات می شود. نانوسیال را می توان به صورت یک سوسپانسیون شامل ذرات، الیاف و لوله های فلزی و غیر فلزی در محدوده بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر درون یک سیال پایه تعریف نمود. استفاده از سیالی به شکل سوسپانسیون نانوذرات در آن، اولین بار در سال ۱۹۹۵ توسط چوی پیشنهاد شد و به عنوان محیط جدید انتقال حرارت مطرح و مورد بررسی قرار گرفت. به این منظور، از نانوسیالات میتوان به عنوان یک نسل جدید از سیالات خنک کننده، به دلیل قابلیت بالای آنها در خنک سازی و افزایش عملکرد حرارتی در مقایسه با سیالات خالص نام برد. از طرفی استفادهی مناسب از نانوسیالات در سیستمهای حرارتی ممکن است باعث کاهش چشمگیر در اندازه و جرم این سیستم ها شود. اغلب به منظور بهبود در پایداری نانوذرات درون سیال پایه، مقداری افزودنی(مواد فعال کننده سطحی) در مخلوط نانوذرات و سیال پایه اضافه می شود.
استفاده از سیالاتی با خواص حرارتی بهتر یکی دیگر از روش های مؤثر افزایش انتقال حرارت در مبدل های حرارتی می باشد. از آنجا که ضریب هدایت حرارتی یک مشخصه مهم در بهبود عملکرد حرارتی سیالات محسوب می شود، استفاده از ذرات جامد فلزی و یا غیر فلزی با هدایت های حرارتی بالا درون سیالات متداول انتقال حرارت از قبیل آب، اتیلن گلایکول و یا روغن باعث بهبود هدایت حرارتی این سیالات میشود. نانوسیال را می توان به صورت یک سوسپانسیون شامل ذرات، الیاف و لوله های فلزی و غیر فلزی در محدوده بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر درون یک سیال پایه تعریف نمود. استفاده از سیالی به شکل سوسپانسیون نانوذرات در آن، اولین بار در سال ۱۹۹۵ توسط چوی پیشنهاد شد و به عنوان محیط جدید انتقال حرارت مطرح و مورد بررسی قرار گرفت. به این منظور، از نانوسیالات می توان به عنوان یک نسل جدید از سیالات خنک کننده، به دلیل قابلیت بالای آنها در خنک سازی و افزایش عملکرد حرارتی در مقایسه با سیالات خالص نام برد.
از طرفی استفاده مناسب از نانوسیالات در سیستم های حرارتی ممکن است باعث کاهش چشمگیر در اندازه و جرم این سیستم ها شود. اغلب به منظور بهبود در پایداری نانوذرات درون سیال پایه، مقداری افزودنی (مواد فعال کننده سطحی) در مخلوط نانوذرات و سیال پایه اضافه می شود.
مزایای استفاده از نانوسیالات(nanofluids):
ایده افزودن ذرات جامد در ابعاد میکرو و درشت تر به سیالات متداول انتقال حرارت دارای قدمتی بیش از صد سال است، اما استفاده از ذراتی در مقیاس نانو به جای ذرات درشت تر دارای مزایایی به شکل زیر است:
-سطح مخصوص بالا و در نتیجه انتقال حرارت بیشتر: استفاده از نانوذرات در سیال پایه علاوه بر افزایش هدایت حرارتی سیال خنک کننده به دلیل افزایش تعداد ذرات در واحد جرم سیال باعث افزایش سطح مخصوص می شود.
– توزیع پایدار از ذرات و حرکت های تصادفی و برخورد بین ذرات: استفاده از افزودنی هایی در مقیاس نانو احتمال حضور ذرات در نزدیکی سطوح انتقال حرارت را به شدت افزایش می دهد، که خود یک مزیت برای نانوسیالات محسوب می شود.
– کاهش در توان مصرفی پمپ برای یک میزان مشخص از انتقال حرارت و کاهش اندازه ی تجهیزات افزایش ضریب انتقال حرارت جابجایی و در نتیجه افزایش انتقال حرارت در سیستم های متداول حرارتی با افزایش سرعت سیال خنک کننده قابل دسترسی است. به تبع آن افزایش سرعت سیال خنک کننده خود مستلزم افزایش توان مصرفی پمپ می باشد.
– خواص ترموفیزیکی قابل تنظیم: تنظیم پذیر و انعطاف پذیر بودن خواص این سیالات از قبیل هدایت حرارتی و مساحت سطح ذرات با تغییر در غلظت و اندازهی ذرات امکان استفاده از این سیالات را در کاربردهایی علاوه بر انتقال حرارت از قبیل شیمیایی، استخراج، حذف آلودگی، بیولوژیکی و داروسازی مهیا می سازد.
– کاهش گرفتگی خطوط: لازم به ذکر است که، یکی از مشکلات افزودن ذرات با اندازه های بزرگتر به سیالات پایه ته نشینی سریع آنها است، که با کاهش اندازهی ذرات به مقیاس نانو تا حد زیادی این مشکل مرتفع می شود.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی انتقال حرارت اجباری نانوسیال آب-آلومینا (Al2O3) در یک مینی کانال زیگزاگی(zigzag channel) در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) انجام شده است.
هندسه مسئله:
هندسه مسأله توسط نرم افزار انسیس دیزاین مدلر رسم گردید.
مش بندی و تولید شبکه:
پس از رسم هندسه، نیاز به مش زدن هندسه برای حل مسأله می باشد. برای این منظور از نرم افزار انسیس مشینگ( ANSYS Meshing) استفاده گردید.
شبیه سازی و حل:
شبیه سازی در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) انجام شده است.
حلگر:
به منظور حل مسئله از حلگر فشار مبنا (Pressure based) در شرایط پایا استفاده شده است.
مدل لزجت:
مدل جریان Laminar استفاده شده است.
سیال:
سیال مورد استفاده نانوسیال آب-آلومینا می باشد.
وابستگی سرعت-فشار:
برای ارتباط فشار-سرعت از الگوریتم حل سیمپل(SIMPLE) استفاده شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
