توضیحات

پروژه شبیه سازی تاثیر میدان مغناطیسی(MHD) بر انتقال حرارت جریان نانوسیال آب-آلومینا (Al2O3) در یک محفظه مستطیلی در نرم افزار انسیس فلوئنت

 

Simulation of Magnetic field effects on the heat transfer of Al2O3-water nanofluid flow in a rectangular cavity by ANSYS FLUENT

بهينه سازى تجهيزات انتقال حرارت براى  رسيدن به راندمان بالاتر انرژى نيازمند تمركز بر كوچك سازى تجهيزات از يك سو و افزايش شدت انتقال حرارت بازاى واحد سطح از سوى ديگر مي باشد. سيالاتي مانند آب و اتيلن گليكول در انتقال حرارت مربوط به فرآيندهاى صنعتي مانند فرآيندهاى توليد نيرو، فرايندهاى شيميايي، فرآيندهاى سرمايش و گرمايش و ميكروالكترونيك نقش زيادى بر عهده دارند. خواص ضعيف انتقال حرارت سيالات متداول نظير سيالات مذكور اولين مانع جدى در فشرده سازى و كارآمدسازى اين تجهيزات است. رسانش گرمايي برخي از جامدات نظير فلزات ده ها برابر مايعات متداول حامل انرژى است. بر اين اساس ايده بهبود و افزايش رسانش گرمايي مايعات با افزودن ذرات جامد بسيار ريز شكل گرفته است. هرچند سوسپانسيون هاى محتوى ذرات با ابعاد ميليمتر يا ميكرومتر داراى مشكلاتي نظير گرفتگي مجارى حركت سيال، ته نشيني سريع و افت فشار بيش از حد را دارند  با ذرات كوچكتر در ابعاد نانومتر ميتوان اين مشكلات را درحد بسيار بالايي كاهش داد.

نانوسيال:

نانو سيال، سيالي است كه از توزيع ذرات جامد با ابعاد كمتر از ١٠٠ نانومتر در سيالات تجهيزات حرارتي به وجود مي آيد. جنس اين ذرات معمولاً از فلزات و يا اكسيدهاى فلزى است. با توجه به بالاتر بودن ضريب رسانش گرمايي اين ذرات در مقايسه با سيالات رايج در انتقال حرارت انتظار مي رود كه نانو سيال كارآيي حرارتي بهترى نسبت به سيال پايه مربوطه داشته باشد. دليل انتخاب ابعاد نانو براى اندازه ى اين ذرات، پايدارى بيشتر آنها در مقايسه با ذرات بزرگتر و سطح تبادل حرارتي بيشتر، همزمان با داشتن وزن كمتر مي باشد. نانوسيال مغناطيسي و يا فروسيال، نيز گونه خاصي از نانوسيال ها است كه در آن نانوذرات مغناطيسي با ابعادى در حدود ٣ تا  ١٥ نانومتر به طور پايدار در يك سيال پايه نظير آب و يا نفت پراكنده شده اند. سيال مغناطيسي و مفهوم كاربردى آن براى اولين بار در سال ١٩٦٥ از نتايج يك تحقيق در مورد تكنولوژى فضايي در ناسا ظهور پيدا كرد. از زمان اولين پيدايش سيال مغناطيسي پيشرفت هاى زيادى جهت توليد سيالات مغناطيسي با كيفيت بالا جهت كاربرد در زمينه هاى مختلف تكنولوژى، پزشكي و علمي شده است.

اهميت و كاربرد نانوسيال ها: 

فرآيند انتقال حرارت و استفاده از مبدلهاى حرارتي در اغلب صنايع كوچك و بزرگ وجود دارد. افزايش ميزان انتقال حرارت و كارائي مبدل هاى حرارتي به معني صرفه جويي ميليون ها دلار در  هزينه ها مي باشد با رفتارى كه نانوسيال در زمينه انتقال حرارت از خود نشان داده است اميد به صرفه جويي در هزينه ها، به ويژه صنايع بزرگ بيشتر شده است. برخي از مزايا و قابليت هاى نانوسيال به شرح زير است:

بهبود انتقال حرارت و پايدارى : 

كاهش اندازه ذرات يك جامد كه توام با افزايش تعداد آنها در واحد جرم است منجر به افزايش سطح مخصوص ميگردد به طوريكه سطح مخصوص ذراتي با ابعاد نانومترى در حدود هزار برابر سطح مخصوص ذراتي با ابعاد ميكرومتر است. سطح ذرات در انتقال حرارت موثر بوده و استفاده از نانوسيال به افزايش سطح انتقال حرارت منجر ميگردد. مقايسه سطح ايجاد شده براى انتقال حرارت در نانوذرات با سطح پودرهاى متداول ميكرومترى بيانگر توانايي و قابليت زياد نانوذرات در افزايش انتقال حرارت و ايجاد سوسپانسيون پايدار ميباشد. گفتني است يكي از مشكلات اساسي افزودن ذرات ميكروني به سيال پايه ته نشيني سريع آنها ميباشد كه با استفاده از ذرات نانو اين مشكل تا حد زيادى برطرف گرديده است.

كاهش توان لازم براى پمپاژ سيال: 

در سيالات متداول حامل انرژى، افزايش ميزان انتقال حرارت جابجايي مستلزم افزايش سرعت سيال براى بالا بردن عدد رينولدز و در نتيجه ضريب انتقال حرارت جابجايي است. اين افزايش سرعت در درون تجهيزات به نوبهى خود مستلزم افزايش توان مصرفي پمپ مي باشد. اما درصورتيكه از نانوسيال براى اين كار استفاده شود براى يك سرعت و يا رينولدز مشخص افزايش انتقال حرارت نتيجه افزايش رسانش گرمايي سيال خواهد بود. به عنوان مثال افزايش انتقال حرارت به ميزان دو برابر با سيال پايه نيازمند افزايش توان پمپ به حدود ١٠ برابر ميباشد. درحاليكه با افزودن نانوذرات به سيال پايه و سه برابر نمودن رسانش گرمايي نسبت به سيال پايه، بدون نياز به افزايش توان پمپ ميتوان انتقال حرارت را دو برابر كرد. بنابراين كاهش هزينه انرژى و كاهش توان مصرفي پمپها از ديگر مزاياى نانوسيالات است.

كاهش گرفتگي و انسداد مجارى: 

ايده افزايش انتقال حرارت با استفاده از افزودن ذرات به يك سيال پايه قدمتي نزديك به صد سال دارد. ليكن ذراتي كه در تحقيقات قديمي به سيالات پايه افزوده ميشد داراى ابعاد ميكرومترى بودند. اين ذرات پايدارى لازم در سوسپانسيون را نداشته و به سرعت تهنشين ميشدند. اين امر سبب مي شود كه مجارى تنگ عبور سيال مسدود گردد. درحاليكه ذرات با اندازهى نانو تشكيل سوسپانسيون هاى بسيار پايدارترى داده و پايين بودن سرعت ته نشيني آنها سبب مي گردد تا مشكل گرفتگي و انسداد مجارى به حداقل برسد. از طرفي بزرگي ذرات ميكرومترى سبب عدم كاربرد آنها در ميكروكانال ها است. در حاليكه از نانوذرات ميتوان جهت استفاده در چنين اهدافي بهره جست.

كاهش اندازه سيستم هاى انتقال حرارت:

با توجه به قابليتي كه نانوسيال از خود در افزايش انتقال حرارت نشان داده است براى انتقال يك مقدار مشخص انتقال حرارت، مبدلهاى حرارتي لازم وقتي كه از نانوسيال به جاى سيال معمولي استفاده شود از حجم و اندازه كوچكترى برخوردار خواهند بود از نانوسيالات مغناطيسي نيز علاوه بر كاربردهاى فوق ميتوان جهت كنترل ميزان انتقال حرارت (بويژه در تجهيزات الكترونيكي) در حضور ميدان مغناطيسي و يا گراديان ميدان مغناطيسي بهره جست كه باعث جابجائي مغناطيسي و افزايش ميزان انتقال حرارت مي شود. خنك كارى بر اساس جابجائي ترمومغناطيس نيز در مكان هايي با گرانش پايين مانند كاربردهاى فضايي كه انتقال حرارت جابجائي آزاد گرانشي وجود ندارد و يا سيستمهايي كه گردش جريان بايد برخلاف جهت گرانش انجام گيرد، قابل كاربرد است. از جمله كاربردهاى پزشكي نانوذرات مغناطيسي نيز ميتوان به دارورساني و هايپرترميا  اشاره كرد.

تاريخچه :

هرچند كه ايده سوسيانسيون هاى مايع-  جامد از مدت ها قبل مطرح گرديده است. مفهوم نانوسيال يك ايده جديد است اين سيالات به دليل داشتن خواص ويژه، كاربردهاى گسترده اى (حتي در مقياس ميكرو) در زمينه افزايش نرخ انتقال حرارت دارند. انتظار مي رود كه در آينده سيالات نانو به نوع جديدى از سيالات مورد استفاده در انتقال حرارت براى كاربردهاى مهندسي تبديل شوند. اگرچه نانوسيالها از پتانسيل بالايي در زمينه افزايش نرخ انتقال حرارت بر خوردار  ميباشند، كارهاى تحقيقاتي روى مفهوم، مكانيزم افزايش و كاربردهاى نانوسيال همچنان در مراحل اوليه قرار دارد. مقالات متعددى بر روى تكنيك هاى پيشبيني و اندازه گيرى هدايت گرمايي نانوسيالات متمركز شده است. تا به امروز مدل هاى مختلف تحليلي، روش هاى عددى و آزمايشگاهي مورد بررسي قرار گرفته اند. براى كاربردهاى عملي به منظور افزايش نرخ انتقال حرارت فهم كاملي از عملكرد انتقال حرارتي نانوسيالات لازم است. در عين حال بسيار مشكل است كه به يك تئورى فرمول بندى شده براى پيش بيني رفتار جريان مواد چند جزئي دست یافت.  انتظار مي رود كه ضريب انتقال حرارت (عدد ناسلت) نانو سيال ها به عوامل مختلفي از جمله رسانش گرمايي و ظرفيت حرارتي هر دو جزء سيال پايه و نانوذرات، الگوى جريان، لزجت نانو سيال ، كسر حجمي ذرات توزيع شده؛ ابعاد و شكل اين ذرات و … وابسته باشد.

تاریخچه فناوری نانو:

فناوری نانو واژه ای است کلی که به تمام فناوری های پیشرفته در عرصه کار با مقیاس نانو اطلاق می شود. معمولا منظور از مقیاس نانو ابعادی در حدود 1 نانومتر تا ۱۰۰ نانومتر می باشد. فناوری نانو یکی از فناوری­های نوظهور در قرن حاضر است. انتظار می رود که تحولی عظیم در بخش های مختلف برای بشر ایجاد کند و رقابتهای صنعتی را بهبود دهد. در سراسر جهان سرمایه گذاری های عمومی در تحقیق و توسعه این فناوری از مرز ۴۰۰ میلیون یورو در سال ۱۹۹۷ به ۳ میلیارد یورو در سال ۲۰۰۴ افزایش یافته است که حاکی از اهمیت این بخش از فناوری در جهان میباشد . با توجه به شتاب روز افزون جهانی برای رشد و توسعه ی فناوری نانو، در کشور ما نیز در برنامه پنج ساله ی چهارم به فناوری نانو توجه عمدهای شده است.

علم نانو به مطالعه پدیده های مشاهده شده در اشیاء، ساختارها و سیستم هایی می پردازد که:

ابعاد آنها حداقل در یک بعد در حدود چند نانومتر باشد.

خواصشان ناشی از این اندازه نانومتری آنها باشد.

ریچارد فيمن، پدر علم نانو، در ۲۹ دسامبر ۱۹۵۹ در یک سخنرانی که در انجمن فیزیک آمریکا با عنوان “آن پایین فضای بسیاری هست “ترتیب داده شده بود موضوع فناوری نانو را عمومی نمود. وی در آن زمان اظهار داشت: “اصول فیزیک، تا آنجایی که من توانایی فهمش را دارم، مخالفتی با ساختن اتم به اتم مواد ندارد” اگر ما بتوانیم اتم های ذغال سنگ را آرایش مجدد دهیم و آنها را دوباره با شیوه ای جدید در کنار هم بچینیم، خواهیم توانست از ذغال سنگ، الماس تولید کنیم و یا حتی می تواند ترکیبات گرانبهاتری مثل مولکول C60 و یا نانو لوله های کربنی ساخت. بحث فناوری نانو اغلب مشابه بحث سیستم های میکرومکانیکی الکترونیکی(MEMS) می باشد. درواقع فناوری نانو زیر مجموعه ممز MEMS است. ممز به فناوری های بزرگتر از ابعاد مولکولی (ابعاد نانو) می پردازد. در حالی که تعاریف زیادی برای فناوری نانو وجود دارد، موسسه ملی نانوتکنولوژی آمریکا تعریفی را برای فناوری نانو ارائه می دهد که در برگیرنده هر سه تعریف ذیل باشد.

١- توسعه فناوری و تحقیقات در سطوح اتمی، مولکولی و یا ماکرومولکولی در مقیاس اندازه ای ۱ تا ۱۰۰ نانومتر.

۲- خلق و استفاده از ساختارها و ابزار و سیستم هایی که به خاطر اندازه کوچک یا حد میانه آنها، خواص و عملکرد نوینی دارند.

٣- توانایی کنترل یا دستکاری در سطوح اتمی.

می توان چنین ساختارهای در ابعاد مولکولی را به کمک انتخاب مناسب مراحل واکنشهای شیمیایی تولید کرد. همچنین ساختارهایی را از طریق دستکاری اتمها روی سطح به وسیله میکروسکوپ های با نیروی اتمی هم می توان بدست آورد.

اریک درکسلر از زمانی که در دانشگاه ام. آی.تی در بوستون، ایالت ماساچوست مشغول گذراندن دوره فوق ليسانس بود سعی داشت تصاویر باور نکردنی از فناوریهای مدرن ترسیم نماید. اریک درکسلر در سال ۱۹۶۶ موسسه فور سایت و ریسرچ فلو ه را که در حال حاضر از موسسات بنام تحقیقات نانو تکنولوژی هستند را پایه گذاری کرد. او کتاب «موتور آفرینش: آغاز دوران فناوری نانو» را در سال۱۹۸۶ به چاپ رساند. این اولین کتابی بود که طرحی از پتانسیل های فناوری نانو مولکولی را ارائه می داد. اریک درکسلر از اولین کسانی بود که دکترایش را در زمینه فناوری نانو مولکولی دریافت نمود و پس از اصلاحاتی بر روی رساله دکتر ایش در سال ۱۹۹۲ آنرا با نام «نانو سیستم ها، محاسبات و ساخت ماشینهای مولکولی» منتشر کرد. دکتر اسمالی رئیس هیئت تحقیقاتی دانشگاه رایس و کاشف باکی بال می گوید: “نانوتکنولوژی روند زیانبار ناشی از انقلاب صنعتی را معکوس خواهد کرد. در مقدمه مقاله نانوتکنولوژی که توسط آقایان پیترسون “وپرگامیت در سال ۱۹۹۳ نگاشته شده چنین آمده است: “تصور کنید قادرید با نوشیدن دارو که در آب میوه مورد علاقه تان حل شده است سرطان را معالجه کنید. یک ابر کامپیوتر را که به اندازه یک سلول انسان است در نظر بگیرید. یک سفینه فضای ۴ نفره که به دور مدار زمین می گردد، با هزینه ای در حدود یک خودروی خانوادگی تجسم کنید. موارد فوق، فقط تعداد محدودی از محصولات انتظار رفته از نانوتکنولوژی هستند.

انسان در معرض یک انقلاب اجتماعی تسریع شده و قدرتمند ناشی از علم نانوتکنولوژی است. طی چند سال با تولید پنج میلیارد تریلیون نانو ربات، تقریبا تمامی فرایندهای صنعتی و نیروی کار کنونی از رده خارج خواهند شد. کالاهای مصرفی به وفور یافت شده، ارزان، شیک و با دوام خواهند شد. دارو یک جهش سریع و کوانتومی را به جلو تجربه خواهد نمود. سفرهای فضایی و همانندسازی امن و مقرون به صرفه خواهند شد. به این دلایل و دلائلی دیگر، سبکهای زندگی روزمره در جهان بطور زیربنایی متحول خواهد شد و الگوی رفتاری انسانها تحت الشعاع این روند قرار خواهد گرفت. به روشنی میتوان دید که آینده بشر در اختیار نانو تکنولوژی می باشد.

نمونه هایی از کاربرد تکنولوژی نانو :

سیستم های خنک کننده :

سیستم های خنک کننده ، یکی از مهمترین دغدغه های کارخانه ها و صنایعی مانند میکروالکترونیک و هر جایی است که به نوعی با انتقال گرما روبه رو باشد. با پیشرفت فناوری در صنایعی مانند میکروالکترونیک که در مقیاس های زیر صد نانومتر عملیات های سریع و حجیم با سرعت های بسیار بالا (چند گیگا هرتز) اتفاق می افتد و استفاده از موتورهایی با توان و بار گرمایی بالا اهمیت به سزایی پیدا می کند، استفاده از سیستم­های خنک کننده پیشرفته و بهینه، کاری اجتناب ناپذیر است.

بهینه سازی سیستم های انتقال گرمای موجود، در اکثر مواقع به وسیله افزایش سطح آنها صورت می گیرد که همواره باعث افزایش حجم و اندازه این دستگاه ها می شود ، لذا برای غلبه بر این مشکل، به خنک کننده­های جدید و موثر نیاز است و نانوسيالات به عنوان راهکاری جدید در این زمینه مطرح شده اند.

نانو سیالات به علت افزایش قابل توجه خواص گرمایی، توجه بسیاری از دانشمندان را در سالهای اخیر به خود جلب کرده است. به عنوان مثال مقدار کمی (حدود یک درصد حجمی) از نانوذرات مس یا نانو لولههای کربنی در اتیلن گلیکول یا روغن به ترتیب افزایش۴۰ و ۱۵۰ درصدی در هدایت گرمایی این سیالات ایجاد می کند، در حالی که مشکلات پایداری این سوسپانسیونها در غلظتهای بالا مانع از استفاده گسترده آنها در انتقال گرما می شود. در برخی از تحقیقات، هدایت گرمای نانوسيالات، چندین برابر بیشتر از پیش بینی تئوری ها است.

این تغییرات در خواص گرمای نانوسيالات فقط مورد توجه دانشگاهیان نبوده است، صورت تهیه موفقیت­آمیز و تایید پایداری آنها می تواند آینده ای امیدوار کننده در مدیریت گرمای صنعت را رقم بزند.

عبور غیرمخرب نانوذرات حامل دارو از غشای سلول:

فرانسیسکو استلاسی، در این باره می گوید: «ما موفق به ساخت نخستین ماده کاملا مصنوعی شدیم که می­تواند بدون تخریب غشای سلول، از آن عبور کند». ایروین این شاهکار اکتشافی را با پدیده ای که برای کودکان قابل درک است مقایسه می کند: اگر شما یک لایه حبابی شکل از صابون داشته باشید و با یک چوب حباب بر روی آن بزنید، حباب می ترکد، اما اگر چوب حباب را پیش از تماس با حباب به یک لایه از صابون آغشته کنید، چوب بدون ترکاندن حباب از آن عبور می کند، زیرا چوب با ماده ای مشابه پوشش داده شده است. نتایج این تحقیق در مجله متریالز نیچر منتشر شده است.

روکشی از نانومواد برای پنجره های یو پی وی سی:

این پوشش، یو. پی. وی. سی ها را از گزند باران های اسیدی، مدفوع پرندگان و رنگ پریدگی حاصل از تأثیر اشعه یو وی و همچنین آلاینده های عمومی موجود در اتمسفر که ممکن است باعث کثیفی یا آسیب دیدن آن شوند مصون میدارد ونیز شیشه را قادر می سازد برای دوره طولانی تر پاکیزه بماند.

ساخت سیاه ترین ماده جهان به کمک فناوری نانو:

گروهی از دانشمندان آمریکایی، با استفاده از نانولوله های کربنی فوق العاده بلند، به قطر ۸ الى ۱۰ نانومتر و طول ۵۰۰ الی ۱۰۰۰ میکرومتر، که به طور عمودی کنار هم قرار گرفته بودند موفق به ساخت روکش نازکی با بازتاب بسیار ناچیز0.045 درصد، شدند. تا قبل از این، سیاه ترین ماده شناخته شده، آلیاژی از نیکل و فسفر بود که 0.16 تشعشع تابش شده را منعکس می کرد. به نظر این محققان این ترکیب نانولوله ای، که طبق آزمایش های این دانشمندان تا دمای ۵۰۰ هزار کلوین نیز یکپارچگی ساختار خود را حفظ می کند، در آینده در پانل های خورشیدی و نیز مبدل های فوتوولتائیک حرارتی کاربرد خواهد داشت.

کمک به رشد استخوان ها با نانوذرات:

دانشمندان هلندی در مطالعات اولیه نشان دادند که می توان با اسپری کردن نانوذرات تختهای شکل، به مواد متخلخل مورد استفاده در قالب سازی استخوان، استخوان های چگال تری ساخت. همچنین آنها موفق به ساخت بافتی شده اند که پس از کاشتن، خطر رد پیوند ندارد.

استفاده از نانو سیال برای افزایش انتقال حرارت:

سیستم های خنک کننده، یکی از مهمترین دغدغه های کارخانه ها و صنایعی مانند میکروالکترونیک و هر جایی است که به نوعی با انتقال گرما روبه رو باشد. با پیشرفت فناوری در صنایعی مانند میکروالکترونیک که در مقیاس های زیر صد نانومتر عملیات های سریع و حجیم با سرعت های بسیار بالا (چند گیگا هرتز) اتفاق می­افتد و استفاده از موتورهایی با توان و بار گرمایی بالا استفاده از سیستمهای خنک کننده پیشرفته و بهینه، کاری اجتناب ناپذیر است. بهینه سازی سیستم های انتقال گرمای موجود، در اکثر مواقع به وسیله افزایش سطح آنها صورت می گیرد که همواره باعث افزایش حجم و اندازه این دستگاه ها می شود. لذا برای غلبه بر این مشکل، به خنک کننده های جدید و موثر نیاز است و نانوسيالات به عنوان راهکاری جدید در این زمینه مطرح شده اند. نانو سیال کلا به مخلوطی از یک سیال پایه و نانو ذرات خاصی بصورت معلق در سیال گفته می شود که به علت وجود ذرات خواص ترموفیزیکی متفاوتی نسبت به سیال پایه دارد.

نانوسيال، كلاً به يك مخلوط دوفازى پيوسته مايع گفته ميشود كه ذرات نانو، معمولاً با اندازه قطر كمتر از ١٠٠ نانومتر، در آن معلق گشتهاند. اين مخلوط اصطلاحا سوسپانسيون ناميده مي شود. نانوسيالات متداول در كارهاى تحقيقاتي ازتركيب نانو ذراتي مثل اكسيدها، نيتريد ها، ذرات فلزات، كربيد فلزات و غير فلزات همراه يا بدون مولكولهاى فعال ساز، در آب، اتيلن گليكول يا روغن ها تهيه مي شوند.

علت استفاده نانو ذرات در نانوسيال ها :

افزايش نرخ انتقال حرارت ميتواند به كمك مواردى همچون تغيير در نوع جريان، تغيير شرايط مرزى و همچنين با تغيير ضريب هدايت حرارتي ايجاد شود.

جدول مقايسه ضريب هدايت حرارتي چند مايع و جامد مرسوم.

 

 

همانطور كه در جدول مشاهده مي شود مقادير ضريب هدايت حرارتي مايعات و جامدات (فلزات) به هيچ وجه قابل قياس نمي باشد و ضريب هدايت حرارتي جامدات به مراتب بالاتر از ضريب هدايت حرارتي مايعات مي باشد. لذا تلاشها براى افزايش ضريب هدايت حرارتي به كمك افزايش نانو ذرات به سيال پايه منجر به توليد نانوسيالات گرديده است.  دلايل افزايش ضريب انتقال حرارت هدايتي با افزودن نانو ذرات به سيال پايه را مي­توان به شرح زیر بيان نمود:

1. افزايش سطح انتقال حرارت و نيز انتقال حرارت هدايتي در سيال.
2. افزايش برخورد و اثر متقابل بين ذرات و سيال.
3. ايجاد اغتشاش بالا.

 

نانو ذرات مرسوم

ذراتي كه ميتوانند بعنوان نانو ذرات در نانوسيالات مورد استفاده قرار بگيرند عبارتند از:

 

آزمايشات نشان ميدهد كه اكسيد فلزاتي مثل اكسيد مس واكسيدآلومينيوم بهترين پخش را درون سيالاتي مثل آب، روغن و اتيلن گليكول دارند.

 

آماده سازى نانوسيال :

قدم اول در مطالعات آزمايشگاهي با نانوسيالات، بحث آماده سازى نانوسيال است. نانوسيال را نميتوان بصورت مخلوط مايع و جامد در نظر گرفت. نانوسيال بايد داراى يكسرى خواص مثل پايدارى، عدم تغيير خواص شيميايي، محلولي پايا و عدم انباشتگي ذرات نانوسيال باشد. در توليد نانوسيالات، انباشتگي نانو ذرات يكي از مهمترين پارامترها مي باشد. نانوسيالات را مي توان بصورت مواد مركب در نظر گرفت كه هر بحثي در اين زمينه مستلزم دانستن تئورى متوسط موثر مي باشد. لذا خواص آنها با توجه به آنچه كه گفته شد تركيبي از خواص سيال پايه و نانو ذرات مي باشند.

بهبود انتقال حرارت با استفاده از نانوسیال:

سیستم های خنک کننده، یکی از مهمترین دغدغه های کارخانه ها و صنایعی مانند میکروالکترونیک و هر جایی است که به نوعی با انتقال گرما روبه رو باشد. با پیشرفت فناوری در صنایعی مانند میکروالکترونیک که در مقیاس های زیر صد نانومتر عملیات های سریع و حجیم با سرعت های بسیار بالا (چند گیگا هرتز) اتفاق می افتد و استفاده از موتورهایی با توان و بار گرمایی بالا اهمیت به سزایی پیدا می کند، استفاده از سیستم های خنک کننده پیشرفته و بهینه، کاری اجتناب ناپذیر است. از روش های گوناگونی برای افزایش کارایی تبادل گرمای حرارتی استفاده می شود تا در فضای کوچک تری حداکثر انتقال حرارت صورت گیرد. این روش ها معمولا به دو گروه عمده فعال و غیرفعال تقسیم می شود.

در روش های فعال از نیروهای خارجی مانند میدان مغناطیسی، و یا صوتی و یا از سطوح مرتعش برای برهم زدن لایه های مرزی و افزایش تلاطم برای رسیدن به انتقال حرارت بیشتر استفاده می شود. در حالی که در روش های غیرفعال از سطوح هندسی خاص و یا افزودنی به سیال برای بهبود انتقال حرارت استفاده می گردد. روش های غیرفعال به دلیل هزینه کمتر معمولا مورد توجه بیشتری قرار دارند. از جمله این روش ها می توان به افزودن ذره های ریز جامد به سیال عامل اشاره کرد که با توجه به ضریب رسانایی بالای جامدات، ضریب انتقال حرارت مؤثر سیال افزایش می یابد. سیال های مرسوم برای انتقال حرارت شامل آب، اتیلن گلیکول و روغن موتور، ضریب هدایت حرارتی بسیار پایینی در مقایسه با فلزات و حتی اکسیدهای فلزی دارند. به عنوان مثال ضریب هدایت حرارتی مس۷۰۰ برابر ضریب هدایت حرارتی آب و ۳۰۰۰ برابر ضریب هدایت حرارتی روغن موتور و ضریب هدایت حرارتی Al2O3 نیز ۶۰ برابر ضریب هدایت حرارتی آب است. بنابراین انتظار می رود سیالهایی که حاوی ذره های جامد معلق اکسیدهای فلزی و یا فلزات باشند، خواص حرارتی بهتری نسبت به سیال های مرسوم از خود نشان دهند. امکان افزودن ذره های جامد در مقیاس میلی متر و میکرومتر به سیال، توسط محققین بسیاری بررسی و معایب متعددی نیز مشاهده شده است. این معایب شامل ته نشینی ذره ها، مسدود شدن کانال و فرسایش دیواره کانال می باشد. به طور مثال ذره ها به سرعت در داخل سیستم ته نشین می شوند، کلوخه شده و مسیرهای جریان را می بندند و باعث افت فشار زیاد می شوند. این ذره ها در سیستم های انتقال نظیر پمپها نیز مشکل ایجاد می کنند و برخورد این ذرهها با سطوح منجر به ساییدگی می شود. بنابراین با وجود ضریب هدایت حرارتی بالا، این سوسپانسیون ها به علت ملاحظات فرایندی، به عنوان محیط انتقال حرارت مناسب به نظر نمی رسند. فرایند تولید نانوذره ها را باید به عنوان انقلابی در افزایش انتقال حرارت دانست. وی در سال ۱۹۹۵  اولین کسی بود که سوسپانسیون های پودرهای نانو را در سیالها به عنوان نانوسیال ها نامید و خصوصیات برجسته این سال ها را مطرح کرد. اندازه بسیار کوچک ذره های استفاده شده و کسر حجمی پایین نانوذره ها مسائلی نظیر ته نشینی و کلوخه شدن را از بین می برد و هزینه های لازم برای نگهداری و انتقال این سیال ها را کم می کند و به علت اندازه بسیار کوچک، مسأله ساییدگی و آسیب رساندن به سیستم ها در مورد این ذرهها وجود ندارد. علاوه بر این، سطح نسبی بزرگ این ذرهها تأثيرات غير تعادلی بین سیال و جامد را کاهش داده، باعث پایداری سوسپانسیون می شود. همچنین هرچقدر اندازه ذرهها کوچک تر باشد، سطح نسبی انتقال حرارت آنها بیشتر می شود و در نتیجه بازده حرارتی ذره های معلق که تابعی از سطوح انتقال حرارت است با کاهش اندازه ذره ها افزایش می یابد. مهم ترین کاربرد نانوسیالها به عنوان خنک کننده است. سه فاکتوری که باعث میشود تا نانوسيالها خنک کننده مناسبی باشند عبارتند از: ۱) بالا بودن هدایت حرارتی، ۲) بالا بودن انتقال حرارت در یک فاز و ۳) بالا بودن شار حرارتی بحرانی.

هیدرودینامیک مغناطیسی(MHD):

هیدرودینامیک مغناطیسی یا MHD، به مطالعة دینامیک سیال هادی الکتریسیته می پردازد و چگونگی فعل و انفعال این نوع سیال با یک میدان مغناطیسی را تشریح می کند. هیدرودینامیک مغناطیسی در محدوده وسیعی از مسائل فیزیکی شامل فلزات مذاب تا فیزیک پلاسمای کیهانی کاربرد دارد. به طور مثال، سیال یونیزه شده و به شدت داغ تحت اثر میدان مغناطیسی در فیزیک نجومی، ژئوفیزیک، آیرودینامیک مافوق صوت و فیزیک پلاسما از این قبیل می باشد؛ همچنین در بسیاری از زمینه های مهندسی، مانند کنترل گداخت هسته ای، خنک سازی راکتور هسته ای، تولید نیروی هیدرومغناطیسی و ریخته گری الکترومغناطیسی فلزات از اهمیت بالایی برخوردار است. به طور مثال در صنعت تولید مواد در فرایندهای ریخته گری، درون محفظه ای که از یک مذاب در حال انجماد پر شده است، به واسطه گرادیانهای دما ناشی از اختلاف دمای بین دیوار جامد و مذاب، پدیده جابجایی آزاد رخ می دهد. وجود جریان های جابجایی آزاد بر روی ساختار محصول نهایی، تأثیرگذار بوده و باعث پایدار شدن یک ساختار غيرهمگن و درشت دانه در قطعه ریخته گری شده و مشکلاتی را برای تولید کنندگان مواد به وجود می آورد. یکی از روش هایی که برای رفع این مشکل مورد توجه قرار گرفته است، بهره گیری از هیدرودینامیک مغناطیسی برای کاهش جریان جابجایی آزاد درون یک محفظه می باشد. وقتی که سیال هادی الکتریسیته و در حال حرکت، در معرض یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد، نیرویی به نام نیروی لورنتز در آن فعال می شود که با نیروی شناوری مقابله می کند، به طوری که جریان جابجایی را به واسطه کاهش سرعت سیال تضعیف کرده و یا در شرایط ایده آل می تواند آن را از بین ببرد. در نتیجه با اعمال یک میدان مغناطیسی بر مذاب درون محفظه، می توان جریان جابجایی را کاهش داده و یک ساختار ریزدانه و همگن در محصول نهایی به وجود آورد. علاوه بر فلزات مذاب، این عمل را می توان بر روی گازهایی که تحت شرایط و روش های خاصی نظیر روش یونیزاسیون، هادی الکتریسیته شده اند نیز مورد بررسی قرار داد. مطالعه و درک انتقال حرارت در چنین فرایندهایی به منظور کنترل بهتر و ایجاد کیفیت بیشتر در محصولات ساخته شده، دارای اهمیت فراوان می باشد.

میدان های مغناطیسی می توانند بر بسیاری از جریان های طبیعی و ساخته دست بشر تأثیرگذار باشند. معمولا از آنها در صنعت برای حرارت دادن، پمپاژ کردن، هم زدن و ذوب معلق فلزات مایع استفاده می گردد. میدان مغناطیسی زمینی نیز وجود دارد که توسط حرکت مایع در هسته زمین حفظ می گردد و همچنین وجود میدان مغناطیسی خورشیدی باعث تشکیل لکه های خورشیدی، شرارههای خورشیدی و میدان مغناطیسی بزرگی می شود که می تواند موجب شکل گیری ستاره ها از ابرهای بین ستاره ای شود. تحقیق پیرامون این جریانات تحت عنوان هیدرودینامیک مغناطیسی (MHD) خوانده می شود. به طور کلی، MHD با فعل و انفعال و روابط متقابل جریان سیال و میدان مغناطیسی ارتباط دارد. سیال های مورد نظر قابلیت هدایت الکتریکی داشته و حالت غیر مغناطیسی دارند که به طور مثال می توان از فلزات مایع، گازهای یونیزه شده (پلاسما) و الکترولیتهای قوی نام برد.

قسمتی از اندرکنش های متقابل میدان مغناطیسی، B، و میدان سرعت، در نتیجه قوانین فارادی و آمپر مطرح شده و قسمتی نیز به دلیل نیروی لورنتز در اثر مادة حامل جریان بیان می شود.

روش های محاسباتی و شیوه تولید شبکه :

حل معادلات در مکانیک سیالات یکی از مطرح ترین مسائل در علوم مهندسی است. عموما معادلات حاکم در مکانیک سیالات یک مجموعه معادلات دیفرانسیل پاره ای غیر خطی و وابسته را ایجاد می کنند که باید در یک قلمرو ناهموار با شرایط اولیه و مرزی مختلف حل شوند. در بیشتر موارد، حل تحلیلی معادلات مکانیک سیالات بسیار محدود است. مکانیک سیالات تجربی می تواند اطلاعات مورد نیاز یک میدان جریان خاص را فراهم کند. در هر حال به علت محدودیت های تجهیزاتی، مانند اندازه نمونه های آزمایش و اندازه تونل باد و همچنین مشکلات ناشی از عدم تشابه کامل با میدان جریان واقعی، کسب اطلاعات آزمایشگاهی در بیشتر میدان های جریان غیر عملی است. به هر حال از نتایج آزمایشگاهی برای اثبات درستی روش های عددی استفاده می شود.

روشی که در سال های اخیر شهرت زیادی یافته روش دینامیک سیالات عددی است. البته تحلیل عددی برای سالیان دراز مطرح بوده است. در هر حال پیشرفتهای به دست آمده در امر ساخت کامپیوترها که سبب افزایش حافظه و کارایی شده، امکان حل معادلات مکانیک سیالات را با استفاده از روش های عددی مختلفی فراهم کرده است. این پیشرفت ها سبب معرفی روشهای عددی جدیدتری شده اند که تقریبا به صورت روزانه پیشنهاد می شوند. برخلاف مکانیک سیالات تجربی، شرایط جریان و ابعاد و اندازه های آن به راحتی قابل تغییرند تا اهداف طراحی مختلفی را بتوان برآورده کرد. جوابی که از چنین حل عددی حاصل می شود را پس از مقایسه با نتایج تجربی می توان مورد تایید قرار داد.

انواع روش های محاسباتی:

برای بررسی مسائل به روش محاسباتی عددی روش های متفاوتی برای تبدیل معادلات دیفرانسیل به معادلات قابل حل توسط کامپیوتر وجود دارد که می توان به روش های زیر اشاره کرد:

1-روش تفاضل محدود

۲- روش المان محدود

۳- روش حجم محدود.

روش تفاضل محدود یکی از قدیمیترین روشهای عددی حل معادلات دیفرانسیل است که برای نخستین بار توسط اویلر ۱۷۶۸ بکار گرفته شد. این روش بسیار ساده است، به این ترتیب که مشتقات را به وسیله عبارت­های تفاضل محدود کمیت مشتق گیری جایگزین می کنند. اما این روش برای مسائل فیزیکی با هندسه و مرز ساده و در شبکه کاملا منظم بکار می رود. روش المان محدود یکی از روش های نیرومند برای تحلیل مسائل مختلف است که نخستین بار در تحلیل سازه ها بکار برده شد. بعد از کاربرد موفقیت آمیز این روش برای سازه های مکانیکی خطی و غیرخطی از دهه ۱۹۷۰ برای حل مسائل پیوسته بکار برده شد. مفهوم المان در این روش بوسیله تکنیک مورد استفاده در محاسبات تنش دنبال می شود. بدین صورت که فضای دامنه بوسیله المان های با شکل و اندازه دلخواه تقسیم می شود. روش حجم کنترل نخستین بار توسط مک دونالد در سال۱۹۷۱ و مک کورمک در سال ۱۹۷۲ برای حالت دو بعدی و توسط ریزی در سال ۱۹۷۳ برای سه بعد ارائه شده است. اساس این روش به این شکل است که ناحیه ثابت را بعنوان دامنه مورد بررسی در نظر گرفته، سپس از قوانین پایستاری اعمال شده بر آن بر روی مرزهای حجم کنترل انتگرال­گیری می شود.

روش کوپل سرعت فشار:

به جز در برخی حالات ویژه، نمی توان میدان سرعت را مشخص ساخت و در عوض باید مولفه های سرعت موضعی و میدان جرم مخصوص را با استفاده از معادلات حاکم مناسب بدست آورد. مولفه های سرعت تحت تاثير معادلات مقدار حرکت هستند که خود حالت خاص معادله دیفرانسیل عمومی می باشد. مشکل واقعی برای محاسبه میدان سرعت در نامعلوم بودن میدان فشار است. در یک معادله مقدار حرکت، گرادیان فشار قسمتی از جمله چشمه را تشکیل میدهد. برای رفع این مشکل دو روش برای کوپل سرعت – فشار ارائه شده است که به روش زیر میباشد:

١- روش سیمپل

۲ – روش سیمپلر.

 

روش سیمپل(SIMPLE):

اولین روشی که برای محاسبه میدان جریان بسط داده میشود سیمپل(SIMPLE) نام دارد که این روش دارای مراحل زیر است:

١ – حدس میدان فشار

۲ – حل معادلات ممنتم برای پیدا کردن مولفه های سرعت، در اینجا نیاز به داشتن شبکه جابجا شده همراه با یک روش تکرار است.

3 – حل معادلات تصحيح فشار و افزودن این معادله به میدان فشار حدسی طبق رابطه برای معادله فشار اصلی

۴- تصحیح و محاسبه سرعت با استفاده از مقادیر تصحیح سرعت بر اساس میدان فشار به دست آمده.

۵ – در نظر گرفتن گرفتن فشار تصحیح شده P بعنوان فشار حدسی و برگشت به گام دوم و

تکرار کار تا هنگام رسیدن به یک جواب همگرا.

روش سیمپلر:

به منظور بهبود سرعت همگرایی در روش سیمپل، الگوی اصلاح شده ای از آن به دست آمده که الگوریتم سیمپلر نام دارد. در این روش در واقع از تخمين کاملتری برای معادله ممنتم استفاده می شود. در این الگوریتم اصلاح شده از حل معادله تصحيح فشار، تنها سرعتها تصحیح می شوند. در الگوریتم سیمپل میدان حدسی فشار نقش اصلی را ایفا میکند. در حالیکه در الگوریتم سیمپلر از فشار حدسی استفاده نشده و میدان فشار توسط یک میدان سرعت معلوم بدست می آید.

اگر بر حسب اتفاق میدان سرعت داده شده، مقدار صحیح میدان سرعت باشد، در آن صورت معادله فشار در سیمپلر نیز میدان فشار صحیح را نتیجه داده و نیازی به تکرار بیشتر نمیباشد. از سوی دیگر در روش سیمپل در شروع عملیات بعلت استفاده از میدان سرعت داده شده، از میدان حدسی فشار، کار از همان آغاز خراب می شود. یعنی استفاده از فشار حدسی منجر به سرعت هایی میشود که با سرعت های صحیح متفاوت هستند. در نتیجه در اثر تقریبهای معادله جدید فشار، میدانهای سرعت و فشار ناصحیح در پایان اولین تکرار، حاصل شده و علیرغم اینکه در شروع کار میدان سرعت صحیح نیز درست بوده است ولی نیل به همگرایی مستلزم تکرارهای بیشتری خواهد بود. اگرچه سیمپلر نسبت به سیمپل دارای نرخ همگرایی سریعتری است ولی در عین حال تکرار از سیمپل مستلزم کوششهای محاسباتی بیشتری میباشد. نخست اینکه باید معادله فشار بانضمام تمامی معادلاتی که در روش سیمپل حل میشوند مورد محاسبه قرار گیرند و آنگاه باید معادلات سرعت جدید حل گردند، در حالیکه چنین مسئلهای در سیمپل وجود ندارد. با این همه از آنجایی که نیل به همگرایی در روش سیمپلر مستلزم تکرارهای کمتری میباشد، پس کوششهای اضافی که در هر تکرار صورت میگیرد بخوبی جبران میشود. اطلاعات بیشتر در این زمینه در کتاب جریان سیال و انتقال حرارت عددی تالیف آمده است.

تولید شبکه:

برای حل عددی معادلات دیفرانسیل حاکم بر فیزیک مسئله که قبلا تشریح شد از روش حجم محدود استفاده شده است. در این روش معادلات دیفرانسیل با استفاده از انتگرال گیری بر روی شبکه تولید شده درون مرز به عبارتهای جبری تبدیل می شوند. بنابراین ابتدا باید شبکه ای مناسب بر میدان حل منطبق گردد. بطور کلی دو نوع شبکه وجود دارد که شامل شبکه سازمان یافته و شبکه بدون سازمان می شود. در این تحقیق از شبکه سازمان یافته استفاده می شود و نرم افزار مورد استفاده برای شبکه بندی نرم افزار فلوئنت می باشد. تولید شبکه جبری را می توان به یک مسئله تولید شبکه درون دامنه با استفاده از مقادیر مرزی شبکه، تعریف کرد. البته این کار مستقیما بوسیله درون یابی بین مقادیر مرزی شبکه انجام می شود. در روش حجم محدود، ابتدا سیستم مختصات انتخاب می شود سپس دامنه توسط خطهایی که منطبق بر خطهای مختصات است به دامنه های کوچکتر تقسیم می گردد. هر خطی که در امتداد مقدار ثابت از محورهای مختصات قرار دارد یک خط شبکه نامیده می شود.

سیستم مختصات کارتزین اولین و راحت ترین انتخاب می باشد. در مختصات کارتزین تولید شبکه بوسیله ترسیم خطوطی موازی محورهای مختصات انجام می شود. محل برخورد این خطوط، یک گره نامیده می شود و نماینده یک حجم کنترل اطراف آن می باشد. حجم کنترل یک سلول نیز نامیده می شود و گره در مرکز سلول قرار دارد. در حالت دو بعدی حجم کنترل حجم محصور بین دو مقدار ثابت X و Y است و در امتداد Z مقدار واحد می باشد.

آشنايي با CFD :

به طور كلي روش هاى پيشگويي يك پديده فيزيكي به دو قسمت عمده تقسيم مي شوند:

-روش تجربي (آزمايشگاهي)

-روش تئورى

در روش هاى تئورى، ابتدا با مشاهده پديده فيزيكي، به بيان معادلات ديفرانسيل مربوطه و پس از آن به معادلات جبرى حاكم بر مسأله پرداخته مي شود. مشكلي كه وجود دارد اين است كه برخلاف پديده هايي كه براى آن ها مدل رياضي مناسبي ارائه شده اند (نظير جريان آرام). پديده هايي نيز وجود دارند كه هنوز مدل رياضي مناسبي براى آن ها يافت نشده است (نظير جريانات دو فاز). در اين جاست كه استفاده از روش هاى عددى به عنوان يك راه سوم براى حل مسائل جريان جاى خود را باز مي كند.  در يك تقسيم بندى ديگر مي توان ديناميك سيالات را به سه بخش تقسيم كرد:

-ديناميك سيالات تجربي

-ديناميك سيالات تئورى

-ديناميك سيالات محاسباتي

ديناميك سيالات محاسباتي يا CFD عبارت از تحليل سيستم هاى شامل جريان سيال، انتقال و پديده هاى همراه، نظير واكنش هاى شيميايي، بر اساس شبيه سازى كامپيوترى مي باشد.

CFD روش بسيار توانايي مي باشد، به طورى كه طيف وسيعي از كاربردهاى صنعتي و غير صنعتي را در بر مي گيرد. برخي مثال ها عبارت اند از:

-آئروديناميك هواپيما و وسايل نقليه

-هيدروديناميك كشتي ها

-نيروگاه: احتراق در موتورهاى درون سوز و توربين هاى گاز

 

به علاوه CFD در طراحي سيستم هاى سيالاتي چند مزيت منحصر به فرد نسبت به روش هاى تجربي دارا مي باشد:

1. كاهش اساسي در زمان و قيمت طراحي هاى جديد
2. توانايي مطالعه سيستم هايي كه انجام آزمايشات روى آن ها مشكل و يا غير ممكن مي باشد (نظير سيستم هاى خيلي بزرگ)
3. توانايي مطالعه سيستم ها تحت شرايط تصادفي و بالاتر از حدود معمول آن ها
4. سطح جزئيات نتايج بسيار زياد مي باشد.

ساختار برنامه  CFD :

ساختار برنامه هاى CFD، روش عددى است. الگوريتم هاى عددى شامل مراحل زير مي باشند:

1. انتگرال گيرى از معادلات حاكم بر جريان سيال روى تمام حجم هاى كنترل مربوط به ميدان حل.
2. گسسته سازى؛ شامل جايگذارى نوعي از تقريب هاى اختلاف محدود براى عبارت هاى داخل معادله انتگرالي مي باشد، كه فرايندهاى جريان مثل جابجايي، نفوذ و چشمه ها را نشان مي دهد. اين عمل معادلات انتگرالي را به يك سيستم معادلات جبرى تبديل مي كند.
3. حل معادلات جبرى با استفاده از يك روش تكرار.

ديدگاه حجم حدود بقاى محلي هر خاصيت از سيال را براى هر حجم كنترل تضمين مي كند. براى مثال يك مؤلفه سرعت يا انتالپي در داخل يك حجم كنترل را مي توان به صورت يك تساوى بين فرايندهاى متفاوت كه منجر به افزايش يا كاهش آن مي شود نشان داد: نرخ تغيير متغير در حجم كنترل نسبت به زمان = شار خالص متغير به دليل جابه جايي به داخل حجم كنترل + شار خالص متغير به دليل نفوذ به داخل حجم كنترل + نرخ خالص توليد متغير در داخل حجم كنترل.

 

نرم افزار فلوئنت:

نرم افزار فلوئنت اوج هنر برنامه نويسي براى مدل كردن جريان سيال و انتقال حرارت در هندسه هاى پيچيده مي باشد. اين نرم افزار امكان تغيير شبكه به صورت كامل و تحليل جريان با شبكه هاى غير ساخت يافته براى هندسه هاى پيچيده را فراهم مي سازد. نوع مش هاى قابل توليد و دريافت توسط اين گروه نرم افزارى شامل شبكه هايي با المان هاى مثلثي و چهار ضلعي (براى هندسه هاى دوبعدى) و چهار وجهي، شش وجهي، هرمي يا گوه اى (براى هندسه هاى سه بعدى) مي باشد. همچنين فلوئنت به كاربر اجازه بهبود شبكه (مثلا ريز كردن يا درشت كردن شبكه در مرزها و مكان هاى لازم در هندسه) را مي دهد. اين بهينه سازى براى حل و شبكه، قابليتي در اختيار كاربر قرار مي دهد كه نتايج را در ناحيه هايي كه داراى گردابه هاى بزرگ (مانند لايه مرزى و …) باشند، دقيق تر سازد. اين قابليت مدت زماني را كه براى توليد يك شبكه خوب احتياج مي باشد در مقايسه با حل در شبكه هاى ساخت يافته به صورت قابل ملاحظه اى كاهش مي دهد. اين نرم افزار با زبان C نوشته شده است و از تمامي توان و قابليت انعطاف اين زبان بهره مي برد. نتيجتا اين نرم افزار استفاده از حافظه ديناميك، ساختار مناسب داده ها و اطلاعات و كنترل انعطاف پذير محاسبات را ممكن مي سازد.

مراحل كاري برنامه فلوئنت :

مراحل كارى تمام برنامه هاى CFD از جمله فلوئنت به صورت زير مي باشد:

• تعريف هندسه
• توليد شبكه بندى
• جريان پايدار- ناپايدار
• جريان آرام- آشفته
• جريان دو بعدى يا سه بعدى
• جريان تك فازى- چند فازى
• تراكم پذير- تراكم ناپذير
• انتقال حرارت (معادله انرژى)
• خواص مواد
• شرايط مرزى
• حل كننده (فلوئنت)

 

قابليت هاي نرم افزار فلوئنت :

نرم افزار فلوئنت قابليت شبيه سازى و مدل كردن موارد زير را دارد:

• جريان در هندسه هاى پيچيده دو بعدى و سه بعدى با امكان بهينه سازى حل و شبكه
• جريان تراكم پذير و غير تراكم پذير
• تحليل پايا يا گذرا
• جريان هاى لزج، آرام و متلاطم
• سيال هاى نيوتني و غير نيوتني
• انتقال حرارت جابجايي آزاد يا اجبارى
• تركيب انتقال حرارت جابجايي- هدايتي
• تركيب انتقال حرارت جابه جايي و هدايتي
• انتقال حرارت تشعشعي
• مدل فريم هاى چرخان يا ساكن
• شبكه هاى لغزان و شبكه هاى متحرك
• واكنش هاى تركيبات شيميايي، شامل احتراق و مدل هاى واكنشي
• اضافه كردن ترم هاى اختيارى حجمي از گرما، جرم، مومنتم، اغتشاش و تركيبات شيميايي
• جريان در محيط متخلخل
• مبدل هاى حرارتي، دمنده ها، رادياتورها و بازده آن ها
• جريان هاى دوفازى و يا چند فازى
• جريان هاى سطح آزاد با شكل هاى سطح پيچيده

اين قابليت ها اجازه مي دهد كه فلوئنت در بازه بسيارى از صنايع شامل موارد زير به كار گرفته شود:

• كاربرد در تجهيزات پتروشيمي، توليد انرژى (توان)، نفت، گاز
• كاربردهاى محيطي (تغييرات وضع آب و هوا)، هوا فضا، توربوماشين ها، اتومبيل
• مبدلهاى حرارتي، الكترونيك (نيمه هادى ها و همچنين خنك سازى قطعات الكترونيكي)
• تهويه مطبوع و تبريد، فرايند مواد و تحقيقات آتش و طراحي آرشيتكتي

روش هاي حل عددي در فلوئنت:

فلوئنت امكان استفاده از هر دو روش عددى زير را مي دهد:

• حل كننده تفكيكي
• حل كننده پيوسته

با استفاده از هر كدام از متدهاى بالا، فلوئنت معادلات انتگرال حاكم بر مسأله براى بقاى جرم و مومنتم (و در صورت لزوم براى انرژى و ديگر اسكالرها مانند آشفتگي) را حل خواهد نمود. در هر دو حالت تكنيكي براساس حجم كنترل به كار مي رود كه شامل موارد زير است:

• تقسيم ناحيه انجام محاسبات به حجم هاى كنترل جدا از هم با استفاده از يك شبكه محاسباتي.
• انتگرال گيرى از معادلات حاكم بر مسأله در حجم هاى كنترل براى تشكيل معادلات جبرى مربوط به مجهولات از قبيل سرعت ها، فشار و دما.
• خطي كردن معادلات گسسته شده و حل دستگاه معادلات خطي حاصل براى رسيدن به مقادير تصحيح شده متغيرهاى وابسته.

 

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی تاثیر میدان مغناطیسی(MHD) بر انتقال حرارت جریان نانوسیال آب-آلومینا (Al2O3) در یک محفظه مستطیلی در نرم افزار انسیس فلوئنت انجام شده است.

هندسه مسئله:

هندسه مسئله در نرم افزار ANSYS Design Modelerترسیم شده است.

مش بندی:

شبکه بندی و مش در نرم افزارANSYS Meshing تولید شده است.

شبیه سازی:

شبیه سازی در نرم افزار FLUENT انجام شده است.

شکل زیر هندسه مورد بررسی در این پروژه را نشان می دهد.

 

 

شبکه مسئله توسط نرم افزار ANSYS Meshing تولید شده است.

 

از Bias factor برای تولید شبکه ریزتردر مرز دیواره ها استفاده شده است. درنتیجه در مرز دیواره ها ریزترین المان ها و در مرکزسطح مقطع برزگترین المان ها توزیع شده است. بر روی اضلاع هندسه به کمک mesh Sizing تعداد المان ها مشخص شده است که به منظور بدست آوردن استقلال از شبکه تعداد المان ها روی اضلاع تغییر داده می شود.

 

نانوسیال:

نانوسیال مورد استفاده آب-Al2O3 با کسر حجمی (4%) می باشد.

انتقال حرارت در رژیم جریان آرام برای نانوسیال آب-Al2O3 درنظرگرفته شده است.

جهت حل مسئله باتوجه به عدم تراکم پذیری سیال از حل کننده فشار مبنا (Pressure based) و برای ارتباط فشار و سرعت از الگوریتم سیمپل(SIMPLE) استفاده شده است. برای گسسته سازی معادلات فشار و مومنتوم و انرژی از طرح بالاست مرتبه دوم(second upwind order) استفاده شده است.

 

برای اعمال میدان مغناطیسی(MHD) مدل MHD در نرم افزار استفاده شده است.

 

نمونه نتایج: