توضیحات
پروژه شبیه سازی انتقال حرارت نانوسیال در مبدل حرارتی دو لوله ای در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent)
Simulation of Heat Transfer of Nanofluid in Heat Exchanger by Ansys Fluent Software
نانوسیالات(Nanofluid):
تکنولوژي نانو یا همان نانو تکنولوژي، خلق مواد و وسایل و سیستم هاي کاربردي در مقیاس نانو و استفاده از خواص جدید آن ها است. نانو پیشوندي است به معنی یک بیلیونوم، بنابراین یک نانومتر یک بیلیونوم یک متر است. بازبینی هاي اولیه برنامه هاي تحقیقاتی بر نانوتکنولوژي در ایالات متحده، چین، اروپا و ژاپن نشانگر این واقعیت بود که نانو تکنولوژي یک تکنولوژي برتر در قرن ٢١ خواهد بود و دانشگاه ها، آزمایشگاه هاي ملی و شرکت هاي چند ملیتی بزرگ، گروه هاي تحقیقاتی نانو تکنولوژي یا مراکز بین رشته اي برپا نموده اند که نانو تکنولوژي کانون توجه آن هاست. نانوتکنولوژي مدرن می تواند ذرات فلزي و غیر فلزي با ابعاد نانویی را تولید نماید. نانو ذرات خواص حرارتی، مغناطیسی، الکتریکی، نوري و مکانیکی منحصر به فردي دارند. هدایت حرارتی ذاتی سیالات متداول یک محدودیت اساسی بر انتقال حرارت تحمیل می کند. بنابراین براي بیش از یک قرن ماکسول(١٨٧٣) و دانشمندان و مهندسان، گام هاي زیادي با پخش نمودن ذرات با اندازه میکرو و میلی متر در مایعات، براي رفع این محدودیت برداشته اند و مشکلات مربوط به پخش ذرات با این اندازه ها پیش تر اشاره شده است. مفهوم ماکسول قدیمی است اما آنچه که در ایده نانوسیالات، جدید و خلاق است، ایده اي است که اندازه ذره داراي اهمیت اساسی در تولید نانوسیالات پایدار و با هدایت بالاست. نانوسیالات با معلق کردن نانوذرات با اندازه میانگین زیر nm١٠٠ در سیالات انتقال دهنده حرارت مانند آب، روغن و اتیلن گلیکول تولید می شوند. یک مقدار خیلی کم از نانوذرات، زمانی که به طوریکنواخت و پایدار در سیال پایه پخش گردند، سبب افزایش چشمگیري در خواص حرارتی سیال پایه می گردند. نانوسیال اصطلاحی است که اولین بار توسط چوي براي تشریح این رده سیالات انتقال حرارت به کار گرفته شد. تکنولوژي نانوسیال، یک زمینه علمی بین رشته اي با اهمیت زیاد است که نانوعلم، نانوتکنولوژي و مهندسی گرمایی را باهم تلاقی می کند و در دهه گذشته به میزان زیادي توسعه یافته است. هدف نانوسیالات دستیابی به بالاترین خواص حرارتی ممکن با کمترین غلظت ممکن (ترجیحا کمتر از ١ درصد حجمی ) و با پخش یکنواخت و پایدار نانوذرات در سیال پایه است.
پیدایش نانوسیالات:
پیدایش نانوسیالات به عنوان یک حوزه جدید انتقال حرارت در مقیاس نانو در مایعات، مستقیما به روند هاي کوچک سازي و نانوتکنولوژي مربوط می شود. در این جا یک تاریخچه خلاصه از پروژه سیالات پیشرفته در آزمایشگاه ملی آراگن نشان داده می شود. این تاریخچه نشان می دهد که این پروژه یک بازه گسترده اي از رژیم هاي اندازه (از متر تا نانومتر) را در بر گرفته و چطور یک مسیر تحقیق عریض، باریک شده است؛ یعنی این که در مقیاس بزرگ شروع شده و از طریق مقیاس میکرویی به مقیاس نانویی در این پروژه کاهش یافته و منجر به اختراع نانوسیالات گردیده است.
کاربردهای نانوسیالات در زمینه انتقال حرارت:
نانو ذرات داراي خواص منحصر به فردي هستند که می توانند در بهبود خواص سیالات متداول به کار روند. از جمله خواص، سطح مخصوص (نسبت سطح به حجم) بسیار بالاست. همچنین با کوچکتر شدن ابعاد ذرات، تعداد ذرات موجود در واحد حجم افزایش یافته و انتقال حرارت که در داخل نانوسیال بر سطح این ذرات انجام می گیرد، افزایش زیادي نشان می دهد. براي نانوذرات حدود ٢٠ % اتم ها در سطح قرار گرفته و اجازه می دهد حرارت به خوبی جذب و به صورت موثرتري انتقال یابد. به عنوان مثال، محققین کشف کرده اند که ضریب هدایت حرارت اتیلن گلیکول با افزودن تنها ١٠ درصد حجمی ذرات اکسید مس ٣٥ نانومتري تا ٢٠ درصد افزایش می یابد. در چندین سال گذشته توان حرارتی ایجاد شده توسط میکروپردازنده ها در زمینه الکترونیک افزایش چشمگیري داشته است. به دلیل رشد و توسعه سریع تکنولوژي، تجهیزات الکترونیکی حرارت بیشتري ایجاد می کنند که این مقدار منجر به تغییر کارایی، عمر مفید و اعتمادپذیري قطعات الکترونیکی می شود.با افزایش نرخ انتقال حرارت به کمک نانوسیال می توان تجهیزات جدید را بر مبناي استفاده از نانو سیال طراحی نمود. استفاده از نانوسیال در تجهیزات گرمایشی و سرمایشی منجر به کاهش ابعاد، وزن، زمان کارکرد و در نتیجه کاهش انرژي مصرف شده می شود. گفته شده است که اگر نانوسیال بازده چیلرها را تنها ١% بهبود بخشد، سالیانه به مقدار ٣٢٠ بیلیون کیلووات ساعت برق فقط در کشور ایالات متحده آمریکا صرفه جویی می شود. از دیگر موارد بکارگیري نانوسیالات می توان به صنعت حمل و نقل که اتومبیل ها جزیی از آن هستند اشاره نمود. مخلوط اتیلن گلیکول و آب از جمله سیالاتی می باشد که در موتور خودروها براي خنک کاري بکار می رود. این مخلوط انتقال حرارت کمتري نسبت به آب دارد. نرخ انتقال حرارت روغن خودرو نیز کمتر از مخلوط آب و اتیلن گلیکول می باشد. با بکار بردن نانوسیال به جاي سیال معمول در موتور خودروها، می توان نرخ انتقال حرارت را افزایش داد و یا به ابعاد کوچکتري براي سیستم خنک کننده و مقدار دبی کمتر سیال دست یافت. علاوه بر این می توان با افزایش نرخ انتقال حرارت از موتور خودرو به محیط، بازده موتور را افزایش داده و در نتیجه میزان مصرف سوخت را کاهش داد. ضمن این که امکان طراحی موتورها با قدرت بیشتر براي شرایط آب هوایی مختلف فراهم خواهد شد.
مبدل های حرارتی(heat exchanger):
فرآیند گرمایش و سرمایش در بسیاری از صـنایع ماننـد صـنایع الکترونیـک، نیروگاه هـا، آهنربـای ابررسانا، کامپیوترهای فوقسریع و موتور اتومبیل از اهمیـت زیـادی برخـوردار اسـت. سیسـتم‌های سرمایش و گرمایش بر پایه روشهای مختلف انتقال حرارت طراحــی می‌شوند. توسعه تکنیک‌های مؤثر انتقال حرارت با توجه به محدودیت منابع طبیعی و تمایل به کاهش هزینه‌ها، بسیار ضـروری می‌باشد. بهبود انتقال حرارت در مبدلهای حرارتی سبب کاهش اندازهی مبدل شده و اسـتفاده از مبدلهای حرارتی کوچکتر و دارای بازده بالاتر، باعث کاهش مصرف انرژی و هزینه بهـرهبـرداری می‌گردد. مبدلهای حرارتی تقریباً پرکاربردترین عضو در فرآیندهای شیمیایی بوده و میتوان آنها را در بیشتر واحدهای صنعتی مشاهده نمود. این مبدلها در زمینه‌های مختلفی از کاربردها ازجمله نیروگاه، پالایشگاه، صنایع پتروشیمی، صنایع غذایی و دارویی، صنایع ذوب فلـز، گرمـایش، تهویـه مطبوع، سیسـتم‌های تبریـد و تجهیـزات فضـایی اسـتفاده می‌شـوند. همچنـین ایـن مبـدلها در دستگاههای مختلف نظیر دیگ بخار، مولد بخار، کندانسور، اواپراتور، تبخیرکننده، بـرج خنـک‌کن، کوره و … به کار می‌روند.
مبدل های حرارتی از نوع جریان همسو(co-flow heat exchanger):
در این نوع مبدل جریان سرد و گرم موازی یکدیگر بوده و جریان سیال سرد و گرم در یک جهـت حرکت می‌کنند. یعنی دو جریان سیال ، از یک انتهـا بـه مبـدل وارد شـده، هـر دو در یک‌جهـت جریان یافته و از انتهای دیگر خارج می‌شوند. نکته‌ای که باید به آن توجـه داشـت ایـن اسـت کـه دمای سیال سرد خروجی از مبدل هیچ‌گاه به دمای سیال گرم خروجی نمـی‌رسـد. نزدیـک شـدن مقدار عددی دو دمای مذکور مستلزم به‌کارگیری سطح انتقال حرارت مؤثر بسیار بزرگ می‌باشد.
مبدل های حرارتی از نوع جریان مخالف(counter-flow heat exchanger):
در شرایطی که جریان سیال سرد و گرم موازی یکدیگر و در خلاف جهت هم باشد مبدل را جریان غیرهمسو می‌نامند. باید توجه داشت در این نوع مبدلها امکان افزایش دمای سیال سرد خروجـی نسبت به سیال گرم خروجی وجود دارد. این مبدلها در شرایط یکسـان از سـطح انتقـال حـرارت کمتری نسبت به مبدلهای همسو برخوردار هستند.
مبدل های حرارتی دو لوله ای(double-pipe heat exchanger):
مبدل های دو لوله‌ای معمولی شامل یک لوله است که بـا اتصـالات مناسـب به‌صـورت هم‌مرکـز در داخل لوله‌ای دیگر با قطر بزرگتر قرار می‌گیرد تا جریان را از مقطعی به مقطع دیگر هدایت کنـد. مبدلهای حرارتی دو لوله‌ای می‌توانند با آرایش گوناگون سری و موازی مرتب شوند تا افت فشار و متوسط اختلاف دمای مـوردنظر را بـرآورده سـازند. اسـتفاده عمـده مبـدل های دو لوله‌ای، بـرای گرمایش و سرمایش محسوس سیال است که در آنها سـطوح انتقـال گرمای کـوچکی موردنیاز می‌باشد. این ساختار، همچنین در حالتی که یک یا هر دو سیال سرد و گرم، در فشار زیاد باشـند، مناسب است. عیب اصلی این مبدل این است که میزان انتقال گرما در واحد سطح گرمـایی آنهـا اندك می‌باشد. بنابراین برای یک ظرفیت گرمایی مشخص، بزرگ و گرانقیمت هستند. اگر ضریب انتقال گرما برای سیال عبوری در فضای بین لولـه داخلـی و خـارجی کوچـک باشـد، میتوان از پره های طولی استفاده نمود.
دینامیک سیالات محاسباتی (CFD):
دینامیک سیالات محاسباتی(CFD) یکی از بزرگترین زمینه هایی است که مکانیک قدیم را به علوم رایانه و توانمندی های نوین محاسباتی آن در نیمه دوم قرن بیستم و در سدة جدید میلادی وصل می کند. دینامیک سیالات محاسباتی علم پیش بینی جریان سیال، انتقال حرارت، انتقال جرم، واکنش های شیمیایی و پدیده های وابسته به آن به وسیلة حل معادلات ریاضی که قوانین فیزیکی را بیان می کنند، با استفاده از یک فرآیند عددی است. این معادلات شامل پایستاری جرم، مومنتوم، انرژی، ذرات و غیره است. در این روش با تبدیل معادلات دیفرانسیل پاره ای حاکم بر سیالات به معادلات جبری، امکان حل عددی این معادلات فراهم می شود. با تقسیم ناحیه موردنظر برای تحلیل به المان های کوچکتر و اعمال شرایط مرزی برای گره های مرزی با اعمال تقریب هایی، یک دستگاه معادلات خطی به دست می آید که با حل این دستگاه معادلات جبری، میدان سرعت، فشار و دما در ناحیه موردنظر بدست می آید. با استفاده از نتایج بدست آمده از حل معادلات می توان و برآیند نیروهای وارد بر سطوح، و ضریب انتقال حرارت و غیره را محاسبه نمود. اکنون روش دینامیک سیالات محاسباتی جای خود را در کنار روش های آزمایشگاهی و تحلیلی برای تحلیل مسائل سیالات باز کرده است و استفاده از این روش ها برای انجام تحلیل های مهندسی امری عادی شده است. درواقع تحلیل های دینامیک سیالات محاسباتی مکمل آزمایش ها و تجربیات بوده و مجموع تلاش ها و هزینه های موردنیاز در آزمایشگاه را کاهش می دهد. دینامیک سیالات محاسباتی به صورت گسترده در زمینه های مختلف صنعتی مرتبط با سیالات، انتقال حرارت و انتقال مواد به کمک سیال بکار گرفته می شود. از جمله این موارد می توان به صنعت کشتی سازی، صنعت خودروسازی، صنایع هوافضا و بسیاری موارد گسترده صنعتی دیگر اشاره کرد که دانش دینامیک سیالات محاسباتی به عنوان گره گشای مسائل صنعتی مرتبط تبدیل شده است. علی رغم اینکه قدمت دینامیک سیالات محاسباتی در دنیا چندان زیاد نیست، این شاخه از علم در ایران و در سال های اخیر، رشد بسیار خوبی داشته است.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی انتقال حرارت نانوسیال در مبدل حرارتی دو لوله ای در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent) انجام شده است.
هندسه مسئله:
هندسه مسئله در نرم افزار انسیس اسپیس کلیم(ANSYS SpaceClaim) ترسیم شده است.
شبکه و مش بندی:
در گام دوم از روند شبیه سازی نیازمند شبکه بندی مناسب برای استفاده از روش حجم محدود می باشد. بنابراین یکی از مهم ترین و اساسی ترین قسمت در یک حل عددی با دقت قابل قبول با صرف کمترین هزینه و دقت مناسب و همچنین صرف زمان کم از موضوعات مهم در یک شبیه سازی موفق می باشد. در این پروژه از نرم افزار انسیس مشینگ( Ansys Meshing) به منظور شبکه بندی هندسه استفاده شده است. تولید یک شبکه مناسب تاثیر بسیار زیادی در دقت نتایج به دست آمده خواهد داشت. لازم است در نواحی که گرادیان های جریان زیاد است و یا سطح جسم از لحاظ هندسی با تغییرات زیادی همراه است، شبکه از تراکم مناسبی برخوردار باشد.
نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS Fluent):
نرم افزار Ansys Fluent، یکی از قوی ترین نرم افزارهای محاسباتی برای شبیه سازی جریان سیال و انتقال حرارت در هندسه های پیچیده می باشد. برخی از قابلیت های این نرم افزار به صورت زیر می باشد: مدل سازی سیال های نیوتنی و غیر نیوتنی، جابجایی آزاد و اجباری، انتقال حرارت هدایتی و تشعشعی و جابجایی، چارچوب های چرخان و ساکن، مدل سازی جریان ها در هندسه های پیچیده دو بعدی و سه بعدی، مدلسازی جریان های پایا و گذرا، غير لزج، آرام و مغشوش، دو فازی و چند فازی، سطح آزاد با شکل های سطح پیچیده و مدل سازی جریان در محیط های متخلخل، مدل سازی مشعل های خانگی و صنعتی. از این نرم افزار در صنایع مختلف پتروشیمی، هوافضا، توربو ماشین های خودروسازی، الکترونیک (نیمه هادی ها و خنک سازی قطعات الکترونیک)، مبدل های حرارتی، تهویه مطبوع، مشعل سازی استفاده می شود. این نرم افزار قابلیت مدل سازی جریان های دو و سه بعدی را داراست. این نرم افزار بر پایه روش حجم محدود که یک روش بسیار قوی و مناسب در روش های دینامیک سیالات محاسباتی می باشد، بنا شده است. قابلیت های فراوانی نظیر مدل سازی جریانهای دائم و غير دائم، جریان لزج و غير لزج، احتراق، جریان مغشوش، حرکت ذرات جامد و قطرات مایع در یک فاز پیوسته و ده ها قابلیت دیگر Fluent را تبدیل به یک نرم افزار بسیار قوی و مشهور نموده است. آزمایشات عملی و محاسبات تئوری، دو روش اصلی و مشخص برای پیش بینی میزان انتقال حرارت و چگونگی جریان سیال در کاربردهای مختلف صنعتی و تحقیقاتی می باشند. در اندازه گیری های تجربی به دلیل هزینه های زیاد ترجیح داده می شود که آزمایش ها بر روی مدلی با مقیاس کوچک تر از نسخه اصلی انجام پذیرد. حذف پیچیدگی ها و ساده سازی آزمایش ها، خطای دستگاه های اندازه گیری و بعضی موانع در راه اندازه گیری از جمله مشکلاتی هستند که روش های عملی با آنها روبه رو هستند و کارآیی این حالت ها را در بعضی موارد مورد سوال قرار می دهند. مهمترین امتیاز محاسبات تئوری در مقایسه با آزمایشهای تجربی، هزینه کم آن است. اگرچه در بسیاری موارد ترجیح داده می شود با استفاده از روش های محاسباتی، آنالیز جریان و انتقال حرارت صورت گیرد ولی تایید تحلیل های عددی نیاز به مقایسه با نتایج آزمایشگاهی و یا نتایج تایید شده دیگری دارد. در میان محققین، انجام پژوهش های تجربی ارزش بسیاری دارد و اگر بتوان آزمایش مطلوبی انجام داد، تحلیل های زیادی را بر محور آنها میتوان گسترش داد و اطلاعات فراوانی بدست آورد. در هر صورت با دسترسی به دستگاه های محاسبه گر و رایانه های قوی، امروزه در بسیاری از موارد آنالیز دینامیک سیالات و انتقال حرارت با روش های عددی انجام می پذیرد. هر چه پدیده مورد بررسی پیچیدگی بیشتری داشته باشد، روش های عددی اهمیت بیشتری پیدا می کنند. علاوه بر سرعت بیشتر محاسبات عددی، می توان با این روش ها اطلاعات کامل با جزئیات بیشتری از قبیل تغییرات سرعت، فشار، درجه حرارت و غیره را در سراسر حوزه مورد نظر به دست آورد. در مقابل، اغلب اوقات شبیه سازی آزمایشگاهی جهت بدست آوردن این گونه اطلاعات مشكل و مستلزم صرف زمان زیاد بوده و در بعضی شرایط غیر ممکن است. در اکثر مسایل مربوط به مکانیک سیالات، به دلیل پیچیدگی معادلات مربوطه، استفاده از حل تحلیلی امکان پذیر نمی باشد.فلوئنت یک نرم افزار کامپیوتری چند منظوره برای مدل سازی جریان سیال، انتقال حرارت و واکنش شیمیایی در هندسه نوشته شده است. با توجه به محیط مناسب نرم افزار جهت تعریف مساله و شرایط های پیچیده، تعریف شرایط مرزی گوناگون و حل مسایل پیچیده شامل تأثیر پدیده های مختلف به کمک این نرم افزار قابل حل می باشد.
حلگر:
نوع حلگر مورد استفاده، حلگر مبتنی بر فشار در شرایط پایا می باشد.
سیال:
سیال مورد استفاده نانوسیال آب-آلومینا می باشد. برای محاسبه خواص فیزیکی نانوسیال که با غلظت نانوذرات و دما تغییر می‌کنند از کد نویسی به زبان C++ که در نرم افزار Fluent Ansys به عنوان UDF شناخته می‌شود استفاده شده است. آب خالص به عنوان سیال پایه و اکسید آلومینیوم Al2O3 به عنوان نانوذره در نظر گرفته شده است.
وابستگی سرعت-فشار:
به منظور ارتباط سرعت-فشار از الگوریتم حل کوپل(coupled) استفاده شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
