توضیحات
پروژه شبیه سازی انتقال حرارت همرفت اجباری نانوسیال آب-آلومینا (Al2O3) در جریان آرام در لوله در نرم افزار انسیس فلوئنت
Simulation of Forced Convection Heat Transfer of Al2O3-Water Nanofluid in Laminar Flow in Pipe in ANSYS FLUENT
نانوسیالات:
طی سال های گذشته از روش های متعددی جهت افزایش نرخ انتقال حرارت برای دستیابی به بازده حرارتی مطلوب استفاده شده است. نرخ انتقال حرارت را با تغییر در هندسه جریان، شرایط مرزی با بهبود در خواص ترموفیزیکی سیال از قبیل افزایش ضریب هدایت حرارتی می توان بهبود بخشید. پایین بودن ضریب هدایت حرارتی سیال های متداول از قبیل آب، روغن و اتیلن گلیکول یک عامل بازدارنده در بهبود بازده حرارتی و کوچکتر کردن مبدل های حرارتی می باشد. رفع این مشکل منوط به دستیابی به سیال با ضریب هدایت حرارتی بالاتر است. راه حلی که برای افزایش هدایت حرارتی سیال به نظر می رسد، افزودن ذرات ریز جامد به سیال پایه می باشد. این ذرات می توانند پودر مواد فلزی، غیرفلزی و یا پلیمریک باشند. ماکسول نخستین کسی بود که امکان افزایش هدایت حرارتی یک مخلوط جامد – مایع را با افزودن درصد حجمی بیشتر از ذرات جامد، نشان داد. او ذرات در ابعاد میکرو و میلی متر را مورد بررسی قرار داد. اما آن ذرات منشأ مشکلات متعددی از قبیل خوردگی، مسدود کردن، افت فشار زیاد و پایداری کم بودند. لذا احساس نیاز به نوع جدیدی از سیال با ضریب هدایت حرارتی بهبود یافته در حالی که از اثرات نامطلوب ناشی از حضور ذرات جامد در آن اجتناب شود، افزایش یافت. این نوع جدید سیال که بتواند این نیازهای مهم را برآورده کند، نانوسیال نامیده می شود. نانوسيالات، مایعاتی هستند که ذرات با سایز نانو و معمولا کمتر از ۱۰۰ نانومتر به طور یکنواخت و پایدار در آنها حل شده اند. در سال های اخیر گزارش ها مبنی بر افزایش قابل توجه ضریب هدایت حرارتی سیال با استفاده از غلظت های کم از ذرات نانو در داخل سیال، باعث شده است تا توجه شایانی به این نانوذرات در کاربردهای مختلفی از قبیل مبدل های حرارتی، نیروگاه ها و خنک کاری ماشین آلات صورت گیرد
در طول چند دهه اخیر، دانشمندان و مهندسین تلاش زیادی کرده اند تا سیالاتی ارائه دهند که در مقایسه با سیال های مرسوم بازده حرارتی و خنک کاری بهتری جهت استفاده در سیستم های حرارتی مختلف داشته باشند.
کاربرد نانوتکنولوژی در مهندسی حرارت – مفهوم تازه “نانوسیال ” که توسط لابراتوار ملی آرگون آمریکا توسط چوی در سال ۱۹۹۵ ارائه شد – راه حل مقابله با چالش مطرح شده می باشد. این کلاس جدید از سیالات(نانوسیالات) که از تحقیقات در ده سال گذشته به دست آمده اند با انتشار ذرات، میله و یا لوله هایی از مواد جامد با ابعاد نانومتر در سیال های عامل متداول بدست میآیند.
نانوسيالات خواص حرارتی بسیار بالاتری به خصوص در زمینة هدایت حرارتی نسبت به سیالات پایه دارند. این سیالات توجه زیادی از جامعه محققین را به جهت پتانسیلی که برای کاربرد در زمینههای مهم مانند میکروالکترونیک، حمل و نقل، ساخت، دارویی و تهویه مطبوع دارند، به خود جلب نموده اند.
مزایای نانوسيالات:
با در نظرگرفتن این مسئله که بازده حرارتی مبدل های حرارتی و یا وسایل خنک کاری در صنایع مختلف، بسیار مهم و حیاتی می باشد، استفاده از تکنولوژی نانوسيالات بسیار تأثیرگذار خواهد بود. برای مثال، صنعت حمل و نقل نیاز به کاهش سایز و وزن سیستم مدیریت حرارتی خودرو دارد و نانوسیال می تواند میزان انتقال حرارت خنک کننده یا روان کننده را افزایش دهد. هنگامی که نانوذرات به طور مناسب در سیال پراکنده شوند، نانوسیال می تواند محاسن زیادی علاوه بر افزایش قابل توجه هدایت حرارتی مؤثر داشته باشد.
مزایای نانوسیالات عبارتند از:
١- پایداری و انتقال حرارت بهبودیافته: چون انتقال حرارت در سطح ذرات اتفاق میافتد، مطلوب است که از ذراتی استفاده شود که سطح جانبی زیادی دارند. سطح جانبی نسبتا زیاد نانوذرات در مقایسه با میکروذرات قابلیت انتقال حرارت بسیار بهتری را فراهم می آورد. به علاوه ذرات ریزتر از ۲۰ نانومتر، ۲۰% از اتم های خود را روی سطح خود حمل می کنند، همین امر باعث میشود که برای تعادل حرارتی بسیار سریع عمل کنند. با این ذرات فوق العاده ریز، نانوسيالات می توانند به نرمی در ریزترین کانال ها مانند میلی و میکرو جریان یابند. چون نانوذرات کوچک هستند، جاذبه در مورد آنها اهمیت کمتری می یابد و لذا با کاهش شانس ته نشینی آنها یک نانوسیال پایدار خواهیم داشت.
۲- خنک کاری میکروکانال ها بدون مسدود شدن: نانوسيالات نه تنها واسط بهتری برای انتقال حرارت هستند بلکه مناسب برای کاربرد در میکروکانال ها که متحمل بارهای حرارتی زیادی هستند، می باشند. ترکیب میکروکانال ها و نانوسيالات، همزمان سیالات با رسانایی بالا و سطح انتقال حرارت زیاد را فراهم میآورد. اما این مزیت با به کارگیری ذرات ماکرو یا میکرو به دلیل مسدود شدن میکروکانال وجود نخواهد داشت.
۳- سیستم های مینیاتوری: تکنولوژی نانوسیال با فراهم نمودن قابلیت طراحی مدل های حرارتی کوچکتر و سبکتر، از گرایش صنایع کنونی به سمت کوچک کردن سیستم ها حمایت می کند. سیستم های کوچک شده، انبار سیالات عامل انتقال حرارت را کاهش داده و منجر به صرفه جویی در هزینه ها خواهد شد.
۴- کاهش توان پمپ کردن: با افزایش انتقال حرارت به دو برابر توسط سیالات متداول، توان خروجی پمپ باید ده برابر افزایش یابد. نشان داده شده است که با سه برابر کردن هدایت حرارتی، انتقال حرارت در همان وسیله به دو برابر افزایش خواهد یافت و تا زمانی که افزایش ناگهانی در ویسکوزیته ی سیال رخ ندهد توان افزایش یافته مصرفی توسط پمپ در حد معقول باقی خواهد ماند. پس اگر با افزودن درصد حجمی کم از نانوذرات به سیال پایه به افزایش زیاد هدایت حرارتی برسیم، در رابطه با توان پمپ صرفه جویی زیادی در هزینه ها خواهیم داشت. پایداری بهتر نانوذرات مانع از ته نشینی سریع آنها شده و کاهش احتمال مسدود شدن دیواره های تجهیزات انتقال حرارت را به دنبال خواهد داشت. رسانایی حرارتی زیاد نانوسيالات به بازده حرارتی بالاتر و هزینه های کمتر منجر می شود. تجهیزات کوچک شده نیاز به انبارهای کوچکتر سیال های عامل دارند و سیستم های حرارتی کوچکتر و سبک تری خواهیم داشت. در خودرو، اجزای کوچکتر منجر به طی مسافت بیشتر به ازای سوخت مشخص، صرفه جویی در سوخت، آلایندگی کمتر و محیط زیست تمیزتر خواهد شد.
مواد مورد استفاده به عنوان نانوذرات و سیال پایه:
تکنولوژی جدید ساخت، امکان تهیه مواد در مقیاس نانومتر را مهیا نموده است. همه ی مکانیزم های فیزیکی دارای یک مقیاس طولی بحرانی هستند که خواص فیزیکی آنها در مقیاسی کوچکتر از مقدار بحرانی، تغییر می کند. با گذر از میکروذرات به نانوذرات، با تغییر برخی از خواص فیزیکی روبرو می شویم، که دو مورد مهم آنها عبارتند از: افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات کوانتومی. افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم که به تدریج با کاهش اندازه ذره رخ می دهد، باعث غلبه یافتن رفتار اتم های واقع در سطح ذره به رفتار اتم های درونی میشود. این پدیده بر خصوصیات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با دیگر مواد اثر می گذارد. خواص حرارتی، مکانیکی، مغناطیسی و الکتریکی مواد در فاز نانو نسبت به مواد مرسوم با ساختار دانه درشت برتری زیادی دارد. درنتیجه بررسی نانوذرات توجه دانشمندان مواد و مهندسین را به خود جلب نموده است.
نانوذرات مورد استفاده در نانوسيالات از مواد متنوعی مانند اکسید سرامیک(آلومینا و اکسید مس)، نیترید سرامیک، کربید سرامیک(کربید تیتانیوم و کربید سیلیسیوم)، فلزات ( مس، نقره و طلا )، نیمه رساناها ( اکسید تیتانیوم و کربید سیلیسیوم)، نانولولههای کربنی ساخته می شوند. انواع مختلفی از مایعات مانند آب، اتیلن گلیکول و روغن به عنوان سیال پایه انتخاب می شوند.
شرح پروژه:
در این پروژه جریان همرفت اجباری آرام برای نانوسیال آب-آلومینا (Al2O3) در یک لوله مدور به قطر 4.5 میلیمتر در نرم افزار انسیس فلوئنت شبیه سازی شده است. کسر حجمی نانوذره کمتر از 5 درصد می باشد.
خواص نانوذره آلومینا در دمای 293 کلوین و 1050=Re
هندسه در ANSYS Design Modeler
هندسه مسأله توسط نرم افزار ANSYS Workbench Design Modeler رسم گردید.
مش در ANSYS Workbench Mesh
پس از رسم هندسه، نیاز به مش زدن هندسه برای حل مسأله می باشد. برای این منظور از نرم افزار ANSYS Workbench Mesh استفاده گردید.
نتایج:
برای حل معادلات از نرم افزار فلوئنت استفاده شده است.
مشخصات نانوسیال:
شرایط مرزی
شار حرارتی ثابت بر روی دیواره لوله درنظرگرفته شده است. با تغییر در کسر حجمی نانوذرات Al2O3 تغییر در دمای خروجی مشاهده می شود. جریان نانوسیال به صورت مدل تک فازی درنظرگرفته شده است.
الگوریتم حل SIMPLE:
سرعت و فشار از طریق الگوریتم سیمپل با یکدیگر کوپل شده اند.
نمونه نتایج:
