توضیحات
پروژه شبیه سازی جریان نانوسیال آب-آلومینا (Al2O3) در کانال موجدار در نرم افزار انسیس فلوئنت
Simulation of Al2O3-Water Nanofluid flow and heat transfer in wavy channels in ANSYS FLUENT
مكانيزم هاي افزايش انتقال حرارت:
محققين براي افزايش انتقال حرارت، مكانيزم هاي مختلفي را مطرح ساخته اند.
- استفاده از يك سطح انتقال حرارت ثانويه
- مختل كردن زيرلايه آرام در لايه مرزي آشفته
- ايجاد جريان هاي ثانويه
- ارتقاي اتصال و اتصال مجدد جريان
- افزايش هدايت حرارتي موثر سيال تحت شرايط استاتيكي
- افزايش هدايت حرارتي موثر سيال تحت شرايط ديناميكي
- به تأخير انداختن توسعه لايه مرزي
- پخش حرارتي
- توزيع مجدد جريان
- افزايش مرتبه مولكول هاي سيال
- بهبود خاصيت تابشي محيط جابجايي
- افزايش اختلاف دماي بين سطح و سيال
- افزايش نرخ جريان سيال، با روش هاي غيرفعال
- افزايش هدايت حرارتي فاز جامد با استفاده از توليدات نانوتكنولوژي
افزايش انتقال حرارت با استفاده از كانال هاي موج دار(wavy channels):
به علت اهميت تجهيزات انتقال حرارت مانند مبدل هاي حرارتي، در بسياري از كاربردهاي مهندسي، موضوع افزايش و بهبود انتقال حرارت اين تجهيزات يك كليد اساسي براي موثرتر كردن آنها است. استفاده از موج و دندانه بر روي ديواره سطح به عنوان يك روش افزايش انتقال حرارت غير فعال مورد توجه محققين قرار گرفته است كه بر پايه افزايش اختلاط، ايجاد گردابه و حركت چرخشي و ناپايداري جريان يا افزايش اغتشاش است. وقتي سيال درون يك كانال موج دار جريان مي يابد، به دليل رشد ناحيه هاي چرخشي نزديك به ديواره موج دار، جريان مغشوش مي شود و منجر به اختلاط سيال و همچنين بهبود انتقال حرارت مي شود. بهبود قابل توجه انتقال حرارت به همراه يك افت فشار نسبتا كم و سادگي روش ساخت و توليد، موج دار كردن ديواره را جذاب تر از ديگر روش هاي غير فعال مانند شيار دار كردن يا ايجاد توليد كننده هاي گردابه خصوصا در مبدل هاي فشرده كرده است. تاثيرات تغييرات متناوب گراديان فشار و انحناي خط جريان، ساختار هاي مغشوش را ايجاد مي نمايد. ديواره موج دار با از بين بردن يا كاهش ضخامت لايه مرزي حرارتي و افزايش اختلاط توده جريان، موجب بهبود انتقال حرارت مي شوند.
شکل کانال های موجدار.
افزايش انتقال حرارت با استفاده از نانوسيالات:
استفاده از نانوسيال به عنوان سيال عامل روش ديگري براي بهبود انتقال حرارت در مبدل هاي حرارتي مي باشد كه اخيرا مورد توجه محققين قرارگرفته است. در اين راستا در سال هاي اخير مشخص شده است كه اضافه كردن نانوذرات به سيال عامل مانند آب، روغن و اتيلن گلايكول مي تواند باعث افزايش هدايت حرارتي آنها گردد. در سال هاي اخير به واسطه تكنولوژي هاي مدرن، توليد دسته جديدي از سيالات به نام نانوسيال ممكن شده است. نانوسيال، سوسپانسيوني رقيق از ذراتي است كه حداقل يك بعد كمتر از ١٠٠ نانومتر دارند. اين مطلب اثبات شده است كه هدايت گرمايي نانوسيالات به طور قابل ملاحظهاي از سيال پايه متناظرش بيشتر است. افزايش هدايت گرمايي نانوسيال به فاكتورهاي متعددي از قبيل شكل، اندازه و درصد حجمي نانوذرات، هدايت گرمايي نانوذرات و سيال پايه بستگي دارد. ذرات جامد نسبت به سيالات متداول انتقال حرارت داراي هدايت گرمايي بسيار بالاتري هستند. به عنوان نمونه هدايت گرمايي مس، ٧٠٠ برابر آب و ٣٠٠٠ برابر روغن موتور ميباشد. افزودن ذرات جامد به يك مايع ميتواند باعث افزايش هدايت گرمايي سيال شده و پتانسيل خنك سازي آنرا افزايش دهد.
خواص ترموفيزيكي نانوسيالات :
1-هدايت حرارتي نانوسيالات
از ميان تمام خواص فيزيكي مربوط به نانوسيالات، هدايت حرارتي از همه پيچيده تر و براي بسياري از كاربردها از همه مهمتر است. با افزايش حجم كسري نانوذرات به سيال پايه، عملكرد انتقال حرارتي سيال مي تواند به گونه اي چشمگير افزايش يابد. دليل عمده اين افزايش به اين شرح است:
- نانوذرات سبب افزايش ناحيه سطحي سيال مي گردند.
- نانوذرات موجود در سيال پايه، هدايت گرمايي مؤثر سيال را افزايش مي دهند.
- فعل و انفعال داخلي و برخورد ميان ذرات و سيال شدت مي گيرد.
- نوسانات تركيب كننده و توربولانس سيال شدت ميگيرد.
- پخش شدن نانوذرات سبب يكنواخت شدن گراديان دماي عرضي سيال مي شوند.
هدايت حرارتي نانوسيالات به پارامترهاي زير وابسته است:
- هدايت حرارتي سيال پايه
- هدايت حرارتي نانوذرات
- درصد حجمي نانوذرات در سيال پايه
- اندازه نانوذرات: با كاهش اندازه نانوذرات، هدايت حرارتي نانوسيال افزايش مي يابد. اين امر به اين دليل است كه ذرات كوچكتر مي توانند با سهولت بيشتري حركت كنند و بنابراين ميزان برخوردهاي تصادفي در سيال افزايش مي يابد.
- شكل نانوذرات: عمدتاً ٢ شكل كروي و استوانه اي براي نانوذرات مورد بررسي قرار گرفته است. نانوذرات استوانه اي نسبت به نوع كروي ميتوانند سبب افزايش بيشتر هدايت حرارتي سيال گردند زيرا شكل استوانه داراي نسبت بزرگتر طول به قطر مي باشد.
- اثر ميزان PH
- نسبت منظر نانوذرات: نانوذرات با نسبت منظر بزرگتر مانند CNTs يا نانولوله ها، سبب افزايش بيشتر هدايت گرمايي سيال مي گردند.
- اثر دما
- اثر خوشه اي شدن.
ويسكوزيته نانوسيالات:
در حاليكه هدايت حرارتي نانوسيالات براي كاربردهاي انتقال حرارت مهم است، ويسكوزيته نيز در طراحي نانوسيالات براي كاربردهاي انتقال حرارت و جريان مهم است، چون افت فشار و در نتيجه توان پمپاژ به ويسكوزيته بستگي دارند. بررسي متون در مورد ويسكوزيته نانوسيال نشان مي دهند كه:
- ويسكوزيته ممكن است به صورت خطي يا غيرخطي با غلظت حجمي، افزايش يابد.
- ويسكوزيته نانوسيال با كاهش در اندازه ذره، افزايش مي يابد.
- نانوسيال ممكن است رفتارهاي نيوتني يا غير نيوتني از خود نشان دهد كه با سطح غلظت حجمي مرتبط مي شود.
چگالي نانوسيالات:
چگالي نانوسيال متناسب با نسبت حجم جامد (نانوذرات) و مايع(سيال پايه) در سيستم است. به طور كلي چگالي نانوسيال با افزودن نانوذرات به سيال پايه به دليل بالاتر بودن چگالي جامدات نسبت سيالات، افزايش مي يابد. بررسي هاي متون نشان مي دهد كه كارهاي تجربي در مورد چگالي نانوسيال محدود است. لازم به ذكر است كه چگالي نانوسيال مي تواند با استفاده از نظريه مخلوط كلاسيك به خوبي پيش بيني شود.
ظرفيت گرمايي ويژه نانوسيالات:
عموماً ظرفيت گرمايي ويژه نانوسيال از سيال پايه كمتر بوده و حاكي از آن است كه به ازاي افزايش دماي يكسان، انرژي حرارتي مورد نياز براي نانوسيال در مقايسه با سيال پايه كمتر است. در كمبود داده هاي تجربي، دو مدل يعني، نظريه مخلوط و مدل تعادل حرارتی به طور گستردهاي در تحقيقات عددي و تجربي براي پيدا كردن حرارت ويژه نانوسيال به كار برده شده اند. آزمايش ها نشان داده اند كه پيش بيني مدل تعادل حرارتي تطابق خوبي را از خود نشان مي دهد، اما مدل مخلوط ساده پيش بيني خوبي از ظرفيت حرارت ويژه نانوسيال ندارد.
مزاياي استفاده از نانوسيالات:
در مقايسه با محلول هاي معلق جامد- مايع متداول براي تشديد انتقال حرارت، نانوسيالات حرارتي كه بدرستي طراحي شده اند، داراي مزاياي زير مي باشند:
- مساحت سطح ويژه بالا و بنابراين سطح انتقال حرارت بيشتر بين ذرات و سيالات
- پايداري پراكندگي بالا با غالب بودن حركت براوني ذرات
- كاهش تراكم و لخته شدن ذرات در مقايسه با دوغاب هاي متداول و بنابراين گسترش كوچك سازي سيستم
- خواص قابل تنظيم، شامل هدايت حرارتي و ترشوندگي سطح توسط غلظت هاي مختلف ذره، متناسب با كاربردهاي مختلف
- افزايش ضريب هدايت حرارتي مؤثر.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی جریان نانوسیال آب-آلومینا (Al2O3) در کانال موجدار در نرم افزار انسیس فلوئنت انجام شده است.
هندسه مسئله:
هندسه مسئله در نرم افزار ANSYS SpaceClaim ترسیم 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.
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.
نانوسیال:
نانوسیال مورد استفاده آبAL2O3 می باشد.
نمونه نتایج شبیه سازی:
