دانشگاه آزاد اسلامی
واحد خمینی شهر
دانشکده مکانیک
پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد M.Sc
مهندسی مکانیک- گرایش تبدیل انرژی
شبیه سازی عددی انتقال حرارت و جریان مغشوش نانوسیال آب-اکسید مس در میکروکانال مستطیلی با دندانه‌های نیمه چسبان
استاد راهنما:
دکتر داود طغرایی
استاد مشاور:
دکتر آرش کریمیپور
نگارش:
امید علی اکبری
تابستان 1393
دانشگاه آزاد اسلامی
واحد خمینی شهر
دانشکده مکانیک
پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد M.Sc
مهندسی مکانیک- گرایش تبدیل انرژی
شبیه سازی عددی انتقال حرارت و جریان مغشوش نانوسیال آب-اکسید مس در میکروکانال مستطیلی با دندانه‌های نیمه چسبان
استاد راهنما:
دکتر داود طغرایی
استاد مشاور:
دکتر آرش کریمیپور
نگارش:
امید علی اکبری
تابستان 1393
در تاریخ / / توسط کمیته تخصصی زیر مورد بررسی و تصویب نهایی قرار گرفت.
استاد راهنمای پایان نامه دکتر داود طغرایی
استاد مشاور پایان نامه دکتر آرش کریمیپور
استاد داور دکتر احمد رضا عظیمیان
استاد داور دکتر علیرضا شاطری
مدیر تحصیلات تکمیلی گروه مکانیک دکتر بابک مهماندوست
«تعهد نامه اصالت رساله یا پایان نامه»
اینجانب امید علی اکبری دانش آموخته مقطع کارشناسی ارشد ناپیوسته در رشته مهندسی مکانیک گرایش تبدیل انرژی که در تاریخ / / از پایان نامه/ رساله خود تحت عنوان بررسی رفتار سیالاتی و انتقال حرارت نانوسیال آب-اکسید مس در میکرو کانال سه بعدی با دندانههای نیمه چسبان به سطح کانال” باکسب نمره و درجه دفاع کرده ام بدین وسیله متعهد می‌شوم:
این پایان نامه / رساله حاصل تحقیق و پژوهش انجام شده توسط اینجانب بوده و در مواردی که از دستاورد های علمی و پژوهشی دیگران (اعم از پایان نامه، کتاب ، مقاله و …) استفاده کرده ام، مطابق ضوابط و رویه موجود، نام منبع مورد استفاده و سایر مشخصات آن را در فهرست مربوطه ذکر و درج کرده ام.
این پایان نامه / رساله قبلاً برای دریافت هیچ مدرک تحصیلی (هم سطح، پایین یا بالاتر) در سایر دانشگاه‌ها و مؤسسات آموزش عالی ارائه نشده است.
چنانچه بعد از فراغت از تحصیل، قصد استفاده و هر گونه بهره برداری اعم از چاپ کتاب، ثبت اختراع و … از این پایان نامه داشته باشم، از حوزه معاونت پژوهشی واحد مجوز های مربوطه را اخذ نمایم.
چنانچه در هر مقطع زمانی خلاف موارد فوق ثابت شود، عواقب ناشی از آن را می‌پذیرم و واحد دانشگاهی مجاز است با اینجانب مطابق ضوابط و مقررات رفتار کرده و در صورت ابطال مدرک تحصیلی‌ام هیچ گونه ادعایی نخواهم داشت./
نام و نام خانوادگی
تاریخ و امضا

سپاس و ستایش خداوندی را که به قلمم توان بخشید تا بتوانم اندکی از ماحصل علمی خود را مکتوب کنم، که نتیجه رنج و زحمت عزیزانی است که در این عرصه علمی مرا یاری نمودند. باشد که این کوچک‌ترین قدردانی از لطف و زحمات ایشان باشد. و مثال ما در محکمه علم همان طفل گریز پایی است که نه چوب استاد، بلکه زمزمه محبت ایشان مشوق راهمان شد. اینک پس از پیمودن راهی بس دشوار به لطف خداوند منان و کمک تمامی اساتید و دوستان عزیز این وادی علمی را پشت سر نهادیم، و بر خود لازم می‌دانیم که تقدیر و تشکر از جناب عالی‌شان را سرلوحه کار خود قرار دهیم، باشد که این اندک، جبران قدرشناسی و زحمات این عزیزان باشد.
تشکر و قدرانی از
استاد با کمالات و شایسته؛ جناب آقای دکتر داود طغرایی، مدیریت محترم دانشکده مکانیک
که در کمال سعه‌صدر، با حسن خلق و فروتنی، از هیچ کمکی در این عرصه بر من دریغ نکردند و زحمت راهنمایی این رساله را بر عهده گرفتند و صداقت شخصی و علمی ایشان بر ذهن ما ماندگار است.
استاد با اخلاق و متعهد؛ جناب آقای دکتر آرش کریمی‌پور
که زحمت مشاوره این رساله را در حالی متقبل شدند که بدون مساعدت ایشان، این پروژه به نتیجه مطلوب نمی‌رسید، و با بذل و بخشش علمی خود اینجانب را وام‌دار خود نمودند.
از استاد فرزانه و دانشمند، جناب آقای دکتر احمد رضا عظیمیان
که زحمت داوری این رساله را متقبل شدند؛ کمال تشکر و قدردانی را دارم، باشد که این خردترین، بخشی از زحمات آنان را سپاس گوید.
از استاد فهیم و وارسته، جناب آقای دکتر علیرضا شاطری نجف آبادی، که زحمت نظارت بر جلسه دفاع اینجانب را بر عهده گرفتند.
و از استاد صبور و با تقوا، جناب آقای دکتر بابک مهماندوست، مدیر محترم تحصیلات تکمیلی گروه مکانیک
امید علی اکبری
تابستان1393
کلیه حقوق مادی مرتبط بر نتایج
مطالعات، ابتکارات و نوآوری‌های ناشی از
تحقیق موضوع این پایان نامه متعلق به
دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی شهر
است.
تقدیم به
پدر مهربان
و مادر عزیز تر از جانم
فهرست مطالب
عنوانصفحهفصل اول2
1-1مقدمه3
1-2روش‌های غیرفعال:4
1-2-1سطوح زبر4
1-2-2افزودنی‌ها به سیالات6
1-3هدایت ناشی از حرکت براونی7
1-4لایه سازی مایع در سطح مشترک آن با ذره جامد7
1-5انتقال حرارت توسط فونون‌ها8
1-6تأثیر خوشه‌ای شدن نانوذرات8
1-7میکروکانال‌ها9
1-8خنک کاری میکروکانال های دندانه دار13
1-8-1مکانیزم برش13
1-8-2جریان‌های ثانویه13
1-8-3پدیده جدایی13
1-9جمع بندی15
فصل دوم16
2-1مقدمه17
2-2بررسی‌های انجام ‌شده پیرامون جریان نانوسیالات در میکروکانال‌17
2-3بررسی‌های انجام ‌شده پیرامون استفاده از نانوسیال در میکروکانال‌ها با چشمه گرمایی19
2-4بررسی‌های انجام ‌شده پیرامون استفاده از نانوسیال در مجاری با دندانه یا مولدهای گردابه20
2-5بررسی‌های انجام‌شده پیرامون جریان سیالات معمولی در ماکروکانال‌های دایروی22
2-6بررسی‌های انجام‌شده پیرامون استفاده از مولدهای گردابه در میکروکانال‌ها23
2-7بررسی‌های انجام‌شده پیرامون جریان سیالات معمولی در ماکروکانال‌های U شکل بدون دندان 25
2-8جمع‌بندی27
فصل سوم28
3-1مقدمه29
3-2معادلات اساسی حاکم بر جریان مغشوش سه بعدی29
3-3معادلات اساسی حاکم بر جریان آرام سه بعدی32
3-4معادلات اساسی حاکم بر جریان آرام دو بعدی32
3-5روابط حاکم برای محاسبه خواص نانوسیال33
3-6روابط پارامترهای اندازه‌ گیری شده در جریان آرام و مغشوش سه بعدی34
3-7روابط پارامترهای اندازه‌ گیری شده در جریان آرام در حالت دو بعدی35
3-8روابط تجربی36
فصل چهارم38
4-1میکروکانال‌های بررسی شده در این رساله39
4-2میکروکانال دو بعدی مستطیلی شکل39
4-2-1بیان مسئله39
4-2-2سیال خنک کننده استفاده شده41
4-2-3مطالعه شبکه برای شبیه‌سازی عددی مسئله حاضر42
4-2-4انتخاب دامنه همگرایی جواب‌ها43
4-3میکروکانال دو بعدی مستطیلی شکل44
4-1-3بیان مسئله44
4-3-2سیال خنک کننده استفاده شده45
4-3-3مطالعه شبکه برای شبیه‌سازی عددی مسئله حاضر46
4-3-4انتخاب دامنه همگرایی جواب‌ها47
4-4میکروکانال سه بعدی مستطیلی شکل49
4-4-1بیان مسئله‌49
4-4-2سیال خنک کننده استفاده شده51
4-4-3مطالعه شبکه برای شبیه‌سازی عددی مسئله حاضر52
4-4-4انتخاب دامنه همگرایی جواب‌ها52
4-5بررسی جریان مغشوش نانوسیال آب-اکسید مس در میکروکانال‌های مستطیلی54
4-5-1بیان مسئله‌54
4-5-2شرایط مرزی برای معادلات حاکم56
4-5-3سیال خنک کننده استفاده شده57
4-5-4مطالعه شبکه برای شبیه‌سازی عددی مسئله حاضر58
4-5-5انتخاب دامنه همگرایی جواب‌ها59
فصل پنجم61
5-1مقدمه62
5-2نتایج مربوط به میکروکانال دو بعدی مستطیلی62
5-2-1بررسی عدد رینولدز و کسر حجمی نانو ذره62
5-3نتایج مربوط به میکروکانال دو بعدی مستطیلی71
5-3-1بررسی عدد رینولدز و کسر حجمی نانوذره:71
5-4نتایج مربوط به میکروکانال سه بعدی مستطیلی، جریان آرام86
5-5مربوط به جریان مغشوش نانوسیال آب-اکسید مس94
5-5-1اعتبار سنجی94
فصل ششم119
6-1تاثیر وجود دندانه در میکروکانال دو بعدی مستطیلی120
6-2بررسی ارتفاع دندانه در میکروکانال دو بعدی مستطیلی120
6-3مطالعه تاثیر دندانه در میکروکانال سه بعدی مستطیلی121
6-4مطالعه جریان مغشوش نانوسیال آب-اکسید مس در میکروکانال سه بعدی مستطیلی با دندانه‌های نیمه چسبان121
6-5پیشنهادهای آینده122
فهرست شکلها
شماره شکل عنوان شکلصفحه
شکل ‏11- ساختار جریان مغشوش عبوری از روی دندانه دوبعدی5
شکل ‏41 هندسه مورد نظر در تحقیق حاضر 39
شکل ‏42- شماتیکی از حالت‌های تعریف شده A، B ،C و D41
شکل ‏43- مطالعات شبکه میکروکانال دو بعدی مستطیلی شکل42
شکل ‏44- تغییرات متوسط دمای بی‌بعد و سرعت بی‌بعد43
شکل ‏45- نمودار همگرایی حل مسئله44
شکل ‏46- نمای شماتیک مسئله45
شکل ‏47- مطالعات شبکه میکروکانال دو بعدی مستطیلی شکل47
شکل ‏48- تغییرات متوسط دمای بی‌بعد و سرعت بی‌بعد خط مرکزی 48
شکل ‏49- نمودار همگرایی حل مسئله48
شکل ‏410- شماتیک دو بعدی و سه‌بعدی میکروکانال صاف بررسی شده49
شکل ‏411- حالت‌های بررسی شده‌ a و b در این تحقیق50
شکل ‏412- بررسی موقعیت دندانه‌ها در ناحیه l2 برای حالت‌های a و b50
شکل ‏413- مطالعات شبکه میکروکانال سه بعدی مستطیلی شکل52
شکل ‏414- تغییرات دمای متوسط سطح زیرین میکروکانال53
شکل ‏415- نمودار همگرایی حل مسئله53
شکل ‏416- شماتیک شکل کانال، ابعاد دندانه‌ها و نوع دندانه‌های مورد بررسی در این تحقیق55
شکل ‏417- مطالعات شبکه میکروکانال سه بعدی مستطیلی با دندانه‌های نیمه چسبان59
شکل ‏418- تغییرات دمای متوسط سطح زیرین میکروکانال60
شکل ‏419- نمودار همگرایی حل مسئله60
شکل ‏51- نمودارهای خطوط جریان و خطوط دما ثابت63
شکل ‏52- نمودارهای خطوط جریان و خطوط دما ثابت63
شکل ‏53- نمودارهای خطوط جریان و خطوط دما ثابت64
شکل ‏54- نمودارهای خطوط جریان و خطوط دما ثابت64
شکل ‏55- سرعت بی بعد در مقاطعی از طول میکروکانال برای چهار حالت A، B ،C وD65
شکل ‏56- دمای بی بعد در مرکز میکروکانال برای حالت A، B ،C و D66
شکل ‏57- نمودار عدد ناسلت موضعی در طول بی بعد میکروکانال برای حالت‌های A، B ،C و D67
شکل ‏58- عدد ناسلت متوسط در حالات A، B ،C و D68
شکل ‏59- مقایسه Cf متوسط در راستای x وy برای حالات A، B ،C و D68
شکل ‏510- مقایسه ضریب اصطکاک Cf برای حالت‌های D وB 69
شکل ‏511- خطوط جریان و دما ثابت برای حالت‌های 1،2،3 و 4 72
شکل ‏512- مقادیر عدد ناسلت موضعی 73
شکل ‏513- نمودار دمای بی بعد خط مرکزی جریان در طول میکروکانال، در حالت‌های 1،2،3 و 475
شکل ‏514- نمودار سرعت بدون بعد خط مرکزی میکروکانال76
شکل ‏515- نمودار مقادیر عدد ناسلت متوسط77
شکل ‏516- نمودار ضریب اصطکاک متوسط در حالت‌های 1،2،3 و 4 برای اعداد رینولدز10 و 10078
شکل ‏517- عدد پوازیه در طول میکروکانال، برای کلیه حالت‌های1،2،3 و 4 در عدد رینولدز1079
شکل ‏518- نمودار تیغیرات عدد پوازیه در راستای طول میکروکانال80
شکل ‏519- نمودار عدد پوازیه در راستای طول بی بعد میکروکانال81
شکل ‏520- نمودار تغییرات ضریب اصطکاک در راستای طول میکروکانال82
شکل ‏521- نمودار تغییرات دمای بی بعد83
شکل ‏522- نمودار تغییرات دمای بی بعد 84
شکل ‏524- اعتبار سنجی عدد ناسلت متوسط در میکروکانال88
شکل ‏527- نمودار نسبت ضریب انتقال حرارت جابه‌جایی متوسط در کسر حجمی‌های مختلف نانوذره90
شکل ‏528- نمودار نسبت عدد پوازیه در کسر حجمی‌های مختلف نانوذره90
شکل ‏530- نسبت قدرت پمپاژ در کسر حجمی‌های مختلف نانوذره92
شکل ‏531- کانتورهای عدد ناسلت موضعی برای حالت‌ a 92
شکل ‏532- کانتورهای عدد ناسلت موضعی برای حالت‌های b93
شکل ‏533- نتایج مربوط به اعتبار سنجی عدد ناسلت متوسط بر حسب عدد رینولدز95
شکل ‏534- نتایج مربوط به اعتبار سنجی ضریب اصطکاک بر حسب عدد رینولدز95
شکل ‏536- مقادیر ضریب اصطکاک متوسط بر حسب عدد رینولدز98
شکل ‏537- مقادیر ضریب انتقال حرارت جابه‌جایی متوسط بر حسب عدد رینولدز99
شکل ‏538- مقادیر نسبت ضریب اصطکاک متوسط بر حسب عدد رینولدز100
شکل ‏539- مقادیر نسبت افت فشار بر حسب عدد رینولدز102
شکل ‏541- مقادیر عدد پوازیه بر حسب عدد رینولدز105
شکل ‏542- نمودار ضریب انتقال حرارت جابه‌جایی متوسط 106
شکل ‏543- مقادیر نسبت عدد ناسلت متوسط بر حسب عدد رینولدز107
شکل ‏544- مقادیر نسبت ضریب اصطکاک متوسط بر حسب نسبت 109
شکل ‏545- مقادیر نسبت افت فشار بر حسب نسبت 110
شکل ‏546- نمودار عدد پوازیه در میکروکانال دندانه‌دار بر حسب نسبت‌های 111
شکل ‏548- نمودار کار آیی حرارتی-سیالاتی بر حسب نسبت 114
شکل ‏549- نمودار عدد ناسلت متوسط برای عدد رینولدز10000115
شکل ‏550- نمودار عدد ناسلت متوسط116
شکل ‏551- نمودار عدد ناسلت متوسط برای عدد رینولدز16000 117
شکل ‏552- نمودار عدد ناسلت متوسط برای عدد رینولدز16000 و کسر حجمی4 درصد نانوذره جامد118
شکل ‏61- شماتیک میکروکانال‌های مستطیلی با دندانه‌های پیشنهادی123
فهرست جداول
شماره جدولعنوان جدولصفحه
جدول ‏11- طبقه‌بندی روش‌های انتقال حرارت4
جدول ‏12- ابعاد کانال برای انواع مختلف جریان گازی در فشار اتمسفر یک11
جدول ‏13- دسته‌بندی کانال‌ها11
جدول ‏14- تأثیر عوامل هندسی و شرایط مرزی بر ایجاد پدیده‌های مختلف در میکروکانال دندانه‌دار14
جدول ‏21- مروری بر کارهای انجام ‌شده پیرامون جریان نانوسیالات در میکروکانال‌17
جدول ‏22- مروری بر کارهای انجام ‌شده پیرامون استفاده از نانوسیال در میکروکانال‌ها با چشمه گرمایی19
جدول ‏23- مروری بر کارهای انجام ‌شده پیرامون استفاده از نانوسیال در مجاری با دندانه یا مولدهای گردابه20
جدول ‏24- مروری بر کارهای انجام‌شده پیرامون جریان سیالات معمولی در ماکروکانال‌های دایرهای22
جدول ‏25- مروری بر کارهای انجام‌شده پیرامون استفاده از مولدهای گردابه در میکروکانال‌ها23
جدول ‏26- مروری بر کارهای انجام‌شده پیرامون جریان سیالات معمولی در ماکروکانال‌هایU شکل25
جدول ‏31- خواص ترموفیزیکی سیال پایه و نانوذره جامد41
جدول ‏32- قطر ملکول سیال پایه و پودر نانوذره استفاده شده در این تحقیق42
جدول ‏33- خواص ترموفیزیکی سیال پایه و نانوذره جامد اکسید نقره42
جدول ‏34- حالت‌های بررسی شده ارتفاع دندانه در این تحقیق45
جدول ‏35- خواص ترموفیزیکی سیال پایه و نانوذره جامد.46
جدول ‏36- قطر ملکول سیال پایه و پودر نانوذره استفاده شده در این تحقیق46
جدول ‏37- خواص ترموفیزیکی سیال پایه و نانوذره جامد اکسید آلومینیم46
جدول ‏38- خواص ترموفیزیکی سیال پایه و نانوذره جامد.51
جدول ‏39- قطر ملکول سیال پایه و پودر نانوذره استفاده شده در این تحقیق51
جدول ‏310- خواص ترموفیزیکی سیال پایه و نانوذره جامد اکسید آلومینیم51
جدول ‏311- معرفی پارامترها و ابعاد مسئله بررسی شده55
جدول ‏312- خواص ترموفیزیکی سیال پایه و نانوذره جامد.57
جدول ‏313- قطر ملکول سیال پایه و پودر نانوذرات استفاده شده در مسئله بررسی شده57
جدول ‏314- خواص ترموفیزیکی سیال پایه و نانوذره جامد اکسید مس.57
جدول ‏315- مقادیر سرعت ورودی برای نانوسیال و سیال پایه58
جدول ‏316- مقادیر سرعت متوسط برای نانوسیال و سیال پایه58
جدول ‏41- ثوابت مدل اغتشاش انتقال تنش برشی k-31
جدول ‏51- مقادیر مختلف Cf m(x) و Cf m (y) برای حالت‌های A،B،C، D69
جدول ‏52- مقادیر مختلف عدد ناسلت موضعی برای حالات A، B ،C D,70
جدول ‏53- مقادیر عدد ناسلت متوسط برای حالت‌های 1،2،3،485
جدول ‏54- مقادیر ضریب اصطکاک متوسط برای حالت‌های 1،2،3،4 86
فهرست علائممساحت،m2Cfعدد پوازیهCpگرمای ویژه J/kg.KDhقطر هیدرولیکی،mdقطر ملكول ذره جامد nmfضریب اصطکاکhارتفاع میکروکانال nmhضریب انتقال گرمای جابه‌جایی W/m2.Kkضريب هدايت حرارتي، W/m.KLطول، mNuعدد ناسلت (نسبت گرمای انتقال یافته از طریق همرفت به گرمای انتقال یافته از طریق رسانش در مرز سیستم)Pمحیط شکل، mPفشارPa.sPECکار آیی حرارتی-سیالاتی (نسبت معیار انتقال حرارت به معیار ضریب اصطکاک)PPقدرت پمپاژ WPrعدد پرانتل (نسبت نفوذ اندازه حرکت (ویسکوزیته سینماتیک) به نفوذ گرمایی)q//شار حرارتی،W/m2Reعدد رینولدز (نسبت نیروی لختی به نیروی گرانروی) Tدما KUمؤلفه سرعت بی بعد در راستای xuمؤلفه سرعت در راستای xVمؤلفه سرعت بی بعد در راستایyvمؤلفه سرعت در راستایyWمؤلفه سرعت بی بعد در راستایzwمؤلفه سرعت در راستای zX,Y,Z راستای بی بعد طول، عرض، ارتفاع
x,y,z راستای طول، عرض، ارتفاع
علائم يونانیچگالي،kg/m3µلزجت Pa.sΑنفوذ گرماییm2/sضریب انبساط حجمی k-1کسر حجمیزيرنويسسيالSذرات جامدSصافnfنانوسیالaveمتوسط
چکیده
امروزه به دلیل استفاده از ابزارها و اجزای ریز مقیاس در صنایعی مانند صنایع الکترونیک، صنایع هوایی، صنایع پزشکی و آزمایشگاهی و… ، نیازمند به ‌وجود آمدن و به‌کارگیری روش‌های جدید و پر بازده در بحث انتقال حرارت در این ابزارها است. این ابزارها به ‌دلیل ابعاد هندسی کوچک، و بسته به نوع کاربرد، قابلیت انتقال شار حرارت ایجاد شده، با روش‌های مرسوم را ندارند. به همین منظور با به‌کارگیری روش‌های جدید با بازده بالا از مزایای استفاده از این ابزارها در صنعت می‌توان بهره جست. روش‌های جدید می‌تواند شامل استفاده از میکروکانال‌ها و پودر افزودنی نانوذرات در سیال خنک کننده، از روش‌های پربازده در خنک کاری ابزارهای ریز مقیاس باشد. علاوه بر استفاده مستقیم از روش‌های جدید معرفی شده، عملکرد انتقال حرارتی این روش‌ها را نیز می‌توان با استفاده از روش‌هایی مانند استفاده از دندانه در میکروکانال‌ها و تغییرات در ابعاد و پارامترها و نوع دندانه‌ها به میزان قابل توجهی افزایش داد.
در این پایان نامه در ابتدا روش‌های افزایش انتقال حرارت به طور مختصر بحث و بررسی می‌شود. در ادامه معرفی کارهای انجام شده توسط محققین در این زمینه، به معرفی و بررسی عددی روش‌هایی که باعث افزایش عملکرد انتقال حرارت اجباری در میکروکانال‌ها می‌شود، می‌پردازیم. در این رساله در بخش‌هایی مجزا، به بررسی عددی تأثیر وجود دندانه، استفاده از پودر نانو ذرات، تأثیر تغییر ارتفاع دندانه، و تأثیر تغییر در هندسه کلی دندانه، در میکروکانال‌ها، به طور مفصل پرداخته می‌شود. در بررسی عددی کلیه مطالعات فوق از بسته نرم افزاری حجم محدود فلوئنت3/6 استفاده شده است. شبیه‌سازی‌های فوق شامل شبیه‌سازی جریان دو و سه بعدی آرام، و جریان سه بعدی آرام و مغشوش است. در نهایت نتایج حاصل از این تحقیق به صورت نمودار و جداول مقایسه‌ای و کانتورها ارائه می‌شوند.
واژه های کلیدی: میکروکانال، انتقال حرارت اجباری، مطالعه عددی، نانوسیال، دندانه.
فصل اول
روش‌های افزایش انتقال حرارت
فصل 1 معرفی روش‌های افزایش انتقال حرارت
مقدمه
در سالیان اخیر توجه به مسئله بهبود انتقال حرارت در علوم مهندسی و صنعت، با سرعت افزاینده‌ای در حال رشد است، به طوری که هم اکنون به بخش بسیار مهمی از تحقیقات تجربی و نظری تبدیل شده است. در حال حاضر مقالات منتشر شده مرتبط با بهبود انتقال حرارت در سیستم‌های حرارتی حدود %10 کل مقالات مرتبط با مبحث انتقال حرارت را شامل می‌شوند [1]. بهبود انتقال حرارت با استفاده از روش‌های مرسوم باعث صرفه‌جویی قابل‌توجهی در هزینه‌ها و منابع انرژی و حفظ محیط زیست شده است. برهم زدن زیر لایه آرام در لایه مرزی جریان مغشوش، ایجاد جریان ثانویه، اتصال دوباره سیال جداشده به سطح، ایجاد تأخیر در توسعه لایه مرزی، تقویت ضریب هدایت حرارتی مؤثر سیال، افزایش اختلاف دما بین سطح و سیال و افزایش نرخ جریان سیال به صورت غیرفعال از جمله مهم‌ترین مکانیزم‌هایی هستند که منجر به افزایش انتقال حرارت از طریق جریان سیال می‌شوند [2].
روش‌های تقویت انتقال حرارت بر اساس یک طبقه‌بندی مرسوم و پذیرفته شده به دو دسته فعال1 و غیرفعال2 تقسیم می‌شوند [3]. روش‌های فعال به روش‌هایی گفته می‌شود که در آن بقای مکانیزم تقویت انتقال حرارت وابسته به وجود یک نیروی خارجی است. در حالی که در روش‌های غیرفعال نیازی به وجود چنین نیرویی نیست. جدول ‏11 این طبقه‌بندی را به کل دقیق‌تر و با ذکر مهم‌ترین روش‌های موجود در هر دسته نمایش داده است.
استفاده از هر کدام از این روش‌ها به شرایط کاری موجود و نیازهای کاربر بستگی دارد. اما روش‌های فعال به دلیل استفاده دائمی از یک منبع توان معمولاً پرهزینه‌تر از روش‌های غیرفعال هستند. لذا روش‌های غیرفعال در زمینه‌های مختلف صنعت و تولید قدرت نقش پیشگام را دارند. مروری بر تاریخچه روش‌های غیرفعال نشان می‌دهد که فن‌آوری انتقال حرارت را می‌توان به سه نسل تقسیم کرد [4]. نسل اول بر کانال‌های ساده برای انتقال حرارت متمرکز بود. توسعه انتقال حرارت در نسل دوم به واسطه استفاده از تجهیزات و ابزار تقویت‌کننده دوبعدی که دارای ابعادی قابل‌مقایسه با ابعاد کانال بودند، ارتقا یافت. نسل سوم به واسطه استفاده از ابزار و تجهیزات سه‌بعدی (زبری‌های سه‌بعدی، برآمدگی‌ها و زائده‌ها) در مقیاس‌های ریزتر و حتی در حد میکرون زمینه بهبود انتقال حرارت را فراهم کرد.
جدول ‏11 -طبقه‌بندی روش‌های انتقال حرارت [3]روش‌های فعالروش‌های غیرفعالسطوح پرداخت‌شده3کمک‌کننده‌های مکانیکی4سطوح زبر5ارتعاش سطحسطوح گسترش‌یافته6ارتعاش سیالابزارهای تقویت‌کننده جابه‌جا شده7میدان‌های الکتروستاتیکیابزارهای پیچش جریان8مکش یا دمشلوله‌های مارپیچ9برخورد جت10افزودنی‌ها به سیالاتابزارهای کشش سطحی11
روش‌های غیرفعال:
برخی از مهم‌ترین روش‌های غیرفعال مرتبط با تحقیق حاضر که امروزه دامنه کاربرد بسیار وسیعی را به خود اختصاص داده‌اند، در زیر به صورت اختصار تشریح می‌شوند.
سطوح زبر
سطوح زبر در انواع و اشکال مختلف تولید می‌شوند. کاربرد عمده سطوح زبر عموماً در جریان‌های تک فازی است. در جریان مغشوش درون مجاری یک ناحیه با سرعت کم در مجاورت دیواره‌ها تشکیل می‌شود که به عنوان زیر لایه لزج شناخته می‌شود. ضخامت این لایه برای شرایط جریان مغشوش توسعه‌یافته حدود3 تا 5 درصد شعاع لوله است [4] . این ناحیه دارای بیش‌ترین مقاومت حرارتی است. بنابراین هر روشی که زیر لایه لزج را حذف کند سبب تقویت انتقال حرارت خواهد شد. برای کنترل ساختار این لایه در حال حاضر دو روش مختلف به صورت گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. یکی از این راه‌ها توسعه مناطق جدایش جریان نزدیک دیوار است که می‌توان با استفاده از یک چیدمان متناوب از مولد‌های گردابه (برآمدگی‌ها یا دندانه‌ها، سطوح مارپیچ، زبری و …) بر سر راه جریان آن را تأمین کرد. روش دیگر با تغییر شکل دادن سطح انتقال حرارت به شکل تورفتگی‌های سه‌بعدی (سوراخ، حفره) امکان‌پذیر است. البته وجود برخی زبری‌ها نظیر دندانه تا حد کمی باعث افزایش سطح انتقال حرارت نیز می‌شود که معمولاً تأثیر آن در مقایسه با تأثیر اغتشاش ناشی از دندانه‌ها بسیار ناچیز است. شکل ‏11 الگوی جریان بعد از یک دندانه را نمایش می‌دهد.
شکل ‏11- ساختار جریان مغشوش عبوری از روی دندانه دوبعدی: a و c طول ناحیه جدایش جریان، b ناحیه اتصال و توسعه لایه مرزی، 1) لایه برشی، 2) منطقه چرخشی جریان، 3) منطقه اتصال لایه برشی به سطح دیواره، 4) منطقه آرامش، 5) جریان چرخش ثانویه، S فاصله بین دندانه‌ها، h ارتفاع دندانه‌، H ارتفاع کانال [4]
مطابق شکل ‏11، چهار ناحیه مختلف در این محدوده قابل شناسایی است. ناحیه شماره 1 مربوط به لایه برشی آزاد است که به عنوان منبع اصلی انرژی مغشوش در منطقه جدایش شناخته می‌شود. ناحیه شماره 2، ناحیه چرخشی12 جریان را نشان می‌دهد که به صورت یک جریان برگشتی غیر دائم مشاهده می‌شود. ناحیه شماره 3، ناحیه اتصال13 لایه برشی آزاد را مشخص می‌کند که مشخصه آن ضریب انتقال حرارت موضعی حداکثر در ناحیه بین دو دندانه است. جریان در بالادست و پایین دست دندانه دچار جدائی می‌شود که اختلاط مؤثر جریان را در پی دارد. این جدائی باعث به دام افتادن یک منطقه نسبتاً گرم در ناحیه بازگشتی شده و در نتیجه انتقال حرارت در این منطقه به شکل محسوسی کاهش می‌یابد. اما با اتصال دوباره جریان اصلی به سطح کانال پدیده برخورد اتفاق افتاده که همین امر انتقال حرارت را در این نقطه به نحو چشمگیری افزایش می‌دهد. شکل شماره4 نشان‌دهنده ناحیه آرامش14 است که لایه مرزی جدید با فاصله گرفتن از دندانه در حال توسعه یافتن است [4].
زاویه‌دار کردن دندانه‌ها باعث ایجاد جریان ثانویه در برای زاویه دندانه می‌شود. سیال نزدیک دیوار از زاویه دندانه پیروی می‌کند. جریان ثانویه القا شده توسط زاویه دندانه‌ها یک چیدمان از گردابه‌های غیرهمسانگرد در کانال به وجود می‌آورد. گردابه‌ها بر اساس برای محور چرخش به دو دسته اصلی گردابه‌های طولی15 (TV) و عرضی16 (LV) تقسیم می‌شوند. محورهای گردابه عرضی عمود بر برای جریان اصلی و گردابه طولی موازی با آن است. عموماً گردابه‌های طولی نسبت به نوع عرضی تأثیر بیش‌تری بر افزایش انتقال حرارت دارند [5].
افزودنی‌ها به سیالات
یکی از راه‌های افزایش انتقال حرارت، تقویت ضریب هدایت حرارتی مؤثر سیال یا ضریب جابه‌جایی اجباری است. سیالات مرسوم برای انتقال حرارت از قبیل آب، اتیلن گلیکول و روغن موتور نسبت به فلزات و حتی اکسیدهای فلزی، ضریب هدایت حرارتی پایینی دارند. یکی از روش‌های دست‌یابی به سیال با ضریب هدایت حرارتی بالا، افزودن ذرات فلزی یا غیر فلزی با خواص حرارتی بالا نظیر Al2O3، CuO، Cu، SiO2 و TiO2 به یک سیال پایه معمولی است. تحقیقات اولیه ذرات در مقیاس میلی یا میکرو را در بر می‌گرفت که نتایج تقویت انتقال حرارت را نشان می‌داد [6-8]. علاوه بر تقویت ضریب هدایت حرارتی، تاکنون دلایل مختلف دیگری نیز برای این افزایش انتقال حرارت ذکر شده است، که مهم‌ترین آن‌ها به شرح زیر هستند.
با توجه به این که انتقال حرارت در نانوسیال روی سطوح ذرات معلق انجام می‌گیرد ذرات نانو سطح انتقال حرارت را افزایش می‌دهند.
حرکات، برخوردها، تقابل بین ذرات و سیال، انتقال حرارت را افزایش می‌دهند.
ذرات معلق توربولانس و اختلاط جریان را افزایش ‌می‌دهد.
پراکندگی ذرات گرادیان دمائی سیال را تغییر می‌دهد در نتیجه ضخامت لایه مرزی حرارتی کاهش یافته و طول توسعه‌یافتگی افزایش می‌یابد.
ولی همواره مشکلاتی نظیر عدم پایداری، ته‌نشینی، سائیدگی و فرسایش مجاری و مسدود کردن لوله‌ها در مورد این سیالات مانع از دست‌یابی به یک محصول تجاری می‌شدند. لذا تحقیقات به سمت استفاده از ذرات جامد در مقیاس نانو متمایل شد. اولین مشاهدات در خصوص افزایش ضریب هدایت حرارتی سیال در اثر استفاده از نانوذرات در مایعات در سیال 1993 توسط ماسودا و همکاران گزارش شد [9]، و چوی در سیال 1995 در موسسه تحقیقاتی آرگونه17 در آمریکا اولین کسی بود که از لفظ “نانوسیال18” برای سوسپانسیون‌های نانوذره در مایع استفاده کرد [10]. وی ادعا کرد چنین سیالاتی هم از نظر تهیه و هم از نظر خواص پایداری و انتقالی به دلیل تقابل‌های بین ذرات و حرکت‌های براونی، در مقایسه با سوسپانسیون‌های معمولی جامد-مایع و ماکروسیالات تفاوت‌های زیادی دارند. پس از آن بود که محققان بسیاری از جنبه‌های جالب و مختلف نانوسیالات از جمله ضریب هدایت حرارتی آن را که به طرز غیرعادی حتی در غلظت‌های کم نانوذرات بسیار بالاست، مورد بررسی قرار داده‌اند [11-17]. تاکنون مکانیزم‌های مختلفی برای توجیه چگونگی تأثیر نانوذرات بر افزایش ضریب هدایت حرارتی معرفی شده است که مهم‌ترین آن‌ها را می‌توان به شرح زیر دانست [13]:
هدایت ناشی از حرکت براونی19
حرکت‌های تصادفی و نامنظم ذرات معلق در بین ملکول‌های گاز یا مایع در اثر برخوردهای مکرر ذرات سیال با آن را حرکت براونی می‌نامند. نتایج حاصل از مقایسه زمان لازم برای جابه‌جایی ذره به اندازه خودش و زمان لازم برای انتقال حرارت در مایع به اندازه خود ذره نشان می‌دهد که نفوذ حرارتی خیلی سریع‌تر از حرکت براونی یا نفوذ جرمی صورت می‌گیرد و حرکت براونی نمی‌تواند عامل تشدید نفوذ گرمایی باشد. ولی نقش حرکت براونی در افزایش هدایت حرارتی نانوسیال از جنبه‌های دیگر قابل بررسی و تحقیق است. به طور مثال تأثیر حرکت براونی در خوشه‌ای شدن20 بسیار پراهمیت بوده و این حرکات تصادفی از طریق افزایش احتمال تشکیل خوشه در اثر برخورد نانوذره باعث افزایش هدایت می‌شوند.
لایه سازی مایع در سطح مشترک آن با ذره جامد
سطح مشترک که به صورت لایه نازکی از مایع در اطراف ذره تشکیل می‌شود به عنوان فاز سوم نانوسیال مطرح می‌شود که می‌تواند به عنوان یک پل در انتقال گرما، عمل کند. این لایه که در آن سیال ساختار منظمی پیدا می‌کند را نانولایه21 می‌نامند. از آن‌جا که جامدات به واسطه ساختار منظم‌شان دارای ضریب هدایت حرارتی بالایی هستند، انتظار می‌رود که این نانولایه نیز موجب افزایش انتقال حرارت می‌شود. در آزمایشات نشان داده شده است که، این لایه باعث افزایش هدایت می‌شود و دارای ضریب هدایتی شبیه به جامد است. ساختار اتمی این لایه که ضخامتی در حدود 5 تا 6 ملکول دارد (در حد نانومتر) اهمیت زیادی نسبت به توده سیال دارد و افزایش ضخامت نانولایه در افزایش رسانش نانوسیال موثر است. البته با توجه به سطح زیاد نانوذرات این سطح مشترک نیز افزایش می‌یابد.
انتقال حرارت توسط فونون‌ها22
در فیزیک جامد واحد انرژی ارتعاش شبکه فونون است. یکی دیگر از مکانیزم‌های انتقال حرارت نانوسیال انتقال انرژی توسط ارتعاش شبکه (فونون‌ها) است. از آن جایی که پویش آزاد ملکولی فونون در مایع نسبت به ذرات جامد بسیار کوچک است، اثر این پدیده در سوسپانسیون‌ها وقتی مشخص می‌شود که فاصله بین ذرات بسیار کم باشد.
تأثیر خوشه‌ای شدن نانوذرات
در اثر نیروهای جاذبه واندروالس، نانوذرات خوشه‌ای به وجود می‌آید، که در اثر این پدیده محل عبوری با مقاومت حرارتی کمتر برای انتقال حرارت به وجود می‌آید. البته پدیده خوشه‌ای شدن از دو برای هم ممکن است اثر منفی روی نانوسیال داشته باشد. این پدیده با ایجاد توده های بزرگ ممکن است باعث عدم پایداری سوسپانسیون شود و هم چنین با ایجاد نواحی خالی از ذرات نانو در مایع و بالا رفتن مقاومت گرمایی باعث کاهش انتقال حرارت شود. خوشه‌ای شدن باعث بالا رفتن درصد حجمی می‌شود و هرچه درصد حجمی نانوذره بیشتر باشد افزایش بیشتری در هدایت نانوسیال مشاهده می‌شود که علت آن خوشه‌های نامتراکم تر و افزایش درصد حجمی موثر است.
یکی دیگر از ویژگی‌های اختصاصی نانوسیالات این است که رشد ضریب انتقال حرارت جابه‌جایی عموماً بزرگ‌تر از رشد ضریب هدایت حرارتی مؤثر است. برخلاف مکانیزم تقویت ضریب هدایت که تا حد زیادی بر ما آشکار شده است، مکانیزم تقویت ضریب جابه‌جایی نانوسیالات هنوز به طور کامل شناخته نشده است. تاکنون تحقیقات بسیار فراوانی پیرامون انتقال حرارت در نانوسیالات صورت گرفته است که همگی نشان‌دهنده تأثیر افزودن نانوذرات بر افزایش انتقال حرارت هستند. اما این که این تأثیر تا چه میزان بوده و مکانیزم حاکم بر آن چیست، موضوعی است که هنوز محل بحث می‌باشد. اما نقاط مشترک در اکثر این کارها این است که ضریب انتقال حرارت جابه‌جایی با افزایش عدد رینولدز، کاهش قطر نانوذرات، افزایش دمای سیال و افزایش غلظت نانوذرات افزایش می‌یابد.
نانوسیالات را در زمینه های مختلفی می‌توان به کار برد، اما این کار با موانعی روبرو است؛ از جمله این موانع ضعف در تعیین مشخصات سوسپانسیون نانوذرات، نبود مدل‌ها و تئوری‌های مناسب برای بررسی تغییر خواص نانوسیال و تطابق نداشتن نتایج تجربی در آزمایش‌های مختلف هستند. برخی از دلایلی که باعث اختلاف در نتایج تحقیقات مختلف شده است به شرح زیر هستند:
خوشه‌ای شدن: ثابت شده است که نانوذرات تمایل زیادی به روی هم انباشتگی سریع دارند که بر ضریب هدایت حرارتی و لزجت نانوسیال تأثیرگذار است. بسیاری از تحقیقات تجربی و عددی این مسئله را در نظر نگرفته‌اند.
اندازه نانوذرات: محققین به ندرت اندازه نانوذرات مورد مطالعه را گزارش می‌کنند که همین مسئله بر نتایج تأثیر می‌گذارد.
اختلاف در تئوری: محققین بر سر این که کدام مکانیزم انتقال حرارت مهم و غالب بوده و اصولاً چگونه باید این مکانیزم‌ها را در محاسبات اعمال کرد اختلاف نظر دارند. این اختلافات منجر به تحلیل‌های متفاوت و در نتیجه، نتایج متفاوت می‌شود.
روش‌های مختلف آماده‌سازی نانوسیال: بسته به روش آماده سازی نانوسیال، توزیع نانوذرات در سیال تفاوت می‌کند.
میکروکانال‌ها
استفاده از میکروکانال‌ها از مباحث جدید در زمینه روش‌های افزایش انتقال حرارت است که به دلیل عدم استفاده از نیروی خارجی در این روش می‌توان آن را جزو روش‌های غیرفعال محسوب کرد. با پیشرفت علوم و تکنولوژی، محققین دریافتند کاهش اندازه سیستم‌ها دارای مزایایی است که در سیستم‌های با اندازه های معمول وجود ندارد. مهم‌ترین این مزایا شامل اشغال فضای کمتر، کاهش نیاز به خنک کاری و هزینه کارکرد کم‌تر است [18]. میکروکانال‌ها، ساختار اصلی چنین سیستم‌هایی را تشکیل می‌دهند. بر همین اساس محققان به این نتیجه رسیدند به جای استفاده از یک ماکروکانال، با ترکیب موازی چند میکروکانال و ایجاد آرایش ترکیبی از آن‌ها ضمن حفظ دبی عبوری از ماکروکانال، سطح انتقال حرارت و در نتیجه نرخ انتقال حرارت را به صورت قابل توجهی می‌توان افزایش داد. تاکرمن و پیس [19]، نخستین کسانی بودند که این ایده را مطرح و از آن برای خنک کاری مدارات الکتریکی استفاده کردند. میکروکانال‌ها در بسیاری از تجهیزاتی که با جریان تک فازی مایع سروکار دارند، به کار می‌روند. میکرو ماشین‌هایی نظیر میکروپمپ، میکرو شیر و میکرو حسگرها از جمله کاربردهای اولیه جریان مایع در میکروکانال‌ها بوده‌اند. پس از آن نیاز به تحلیل مواد بیولوژیکی نظیر پروتئین‌ها، DNA، سلول‌ها، جنین‌ها و معرف‌های شیمیایی، باعث ورود این مبحث به علوم زیستی و بیولوژیکی نیز شد. سپس با توسعه میکرو رآکتورها، توجهات به سمت مبحث مخلوط کننده‌های میکرو معطوف شد. تلفات بالای شار حرارتی در ریزپردازنده‌ها انگیزه‌ای برای مطالعات در زمینه انتقال حرارت در میکروکانال‌ها شد [20]. توسعه تجهیزات میکروالکترومکانیکی23 (MEMS) به طور طبیعی نیاز به سیستم‌های دفع گرما24 دارد. بنابراین درک مناسب جریان سیال و انتقال حرارت در این سیستم‌های ریز مقیاس برای طراحی و راه‌اندازی آن‌ها ضروری است. استفاده از میکروکانال‌ها در سیستم‌های خنک کاری نه تنها بار وزن را کاهش می‌دهد، بلکه ظرفیت حرارتی از سیستم را نسبت به سیستم‌های خنک کاری بزرگ مقیاس افزایش می‌دهد. با کاهش اندازه کانال در حد میکرو یا نانو، ضریب انتقال حرارت می‌تواند هزار یا میلیون برابر مقدار اصلی خود شود. این پدیده باعث افزایش شدید انتقال حرارت شده و به همین دلیل علاقه به مطالعه تئوری و تجربی انتقال حرارت در میکروکانال‌ها به صورت پیوسته در حال افزایش است.
وقتی که از انتقال حرارت در میکروکانال صحبت می‌شود، ابتدا باید یک تعریف از این عبارت ارائه شود. یکی از تعاریفی که برای میکروکانال پیشنهاد شده این است که میکروکانال‌ها، کانال‌هایی هستند که تئوری‌های کلاسیک برای آن‌ها معتبر نیستند. با این وجود، از آنجا که هنوز مشخص نیست این اتفاق در چه قطری رخ می‌دهد، این تعریف به سختی قابل قبول است. دسته‌بندی کانال‌ها بر اساس قطر هیدرولیکی یک راه ساده برای مشخص کردن محدوده ابعاد انواع کانال‌هاست. کاندلیکار و گرانده [21]، در سیال 2003 تأثیرات رقیق بودن بر گازهای معمول را در فشار اتمسفر در نظر گرفته، و جدول ‏12 را برای بازه ابعاد کانال به ازای رژیم‌های مختلف جریان پیشنهاد کردند.
جدول ‏12- ابعاد کانال برای انواع مختلف جریان گازی در فشار اتمسفر [21]نوع گازابعاد کانال (µm)جریان پیوستارجریان لغزشیجریان گذارجریان آزاد ملکولیهوا67<67-67/067/0-0067/0067/0>هلیم194<194-94/194/1-0194/00194/0>هیدروژن123<123-23/123/1-0123/00123/0>
دسته‌بندی انجام شده توسط کاندلیکار و گرانده [20]، با اندکی اصلاح به‌ عنوان عمومی‌ترین روش بر پایه کوچک‌ترین ابعاد کانال مطرح شده، و در جدول ‏13 آمده است.
جدول ‏13- دسته‌بندی کانال‌ها [20]کانال‌های معمولیmm 3 < Dمینی کانال‌هاmm 3 ≥ D > µm 200میکروکانال‌هاµm 200 ≥ D > µm 10میکروکانال‌های گذارµm 10 ≥ D > µm 1نانوکانال‌های گذارµm 1 ≥ D > µm 1/0نانوکانال‌هاµm 1/0 ≥ D
در جدول ‏13، D قطر کانال است. در کانال‌های غیر دایر وی توصیه می‌شود حداقل ابعاد کانال به جای D قرار گیرد. به طور مثال، در کانال‌های با سطح مقطع مستطیلی، عرض مستطیل به عنوان قطر معیار در نظر گرفته می‌شود. در اکثر منابع از همین دسته‌بندی برای تعریف میکرو و مینی‌کانال‌ها استفاده می‌شود. این دسته‌بندی اگرچه برای جریان‌های گازی به دست آمده است، اما به دلیل حفظ یکنواختی برای جریان‌های سیال مایع و دو فازی نیز استفاده می‌شود [21].
بر اساس تعریف عدد نادسن (Kn)، رژیم جریان‌های گازی در میکروکانال‌ها را می‌توان به چهار دسته اصلی تقسیم کرد [22]: رژیم جریان پیوسته (001/0Kn ≤)، رژیم جریان لغزشی (1/0< Kn ≤001/0)، رژیم جریان گذار (10 < Kn ≤ 1/0) و رژیم جریان آزاد ملکولی(10kn >). جریان در اغلب کاربردهای این سیستم‌ها در رژیم لغزشی است که وجه مشخصه آن وجود سرعت لغزشی و نیز پرش دمایی روی دیوارهاست. در 001/0kn ≤ فرکانس برخورد بین ‌ملکولی بسیار بیشتر از فرکانس برخورد بین ذرات سیال با سطح جامد است. با افزایش عدد نادسن، پویش آزاد ملکولی تقریباً هم‌مرتبه با قطر هیدرولیکی کانال می‌شود که به معنای کاهش فرکانس برخورد ملکولی است. در نتیجه جریان از رژیم پیوسته فاصله می‌گیرد و وارد رژیم لغزشی می‌شود. اما در جریان‌های مایع، به دلیل این که فاصله بین ملکولی بسیار کم است، انحراف جریان از رژیم پیوسته غیر محتمل به نظر می‌رسد. چگالی مایعات حدود 1000 برابر گازها است، یعنی فاصله بین ملکول‌ها در مایعات تقریباً 10 بار کم‌تر از گازها است. ملکول‌های مایعات، پویش آزاد ملکولی ندارند. لذا به جای آن از فاصله شبکه‌ای25 استفاده می‌شود. برای آب، فاصله شبکه حدود nm3/0 است. در یک کانال به قطر μm50، اعداد نادسن معادل به ترتیب برابر با 4-10×3 و 6-10×6 هستند که در محدوده محیط پیوسته قرار دارند. بنابراین اثرات شرایط مرزی لغزش و پرش دما تنها در صورتی رخ می‌دهد که قطر کانال‌ها به صورت تقریبی از nm3 کم‌تر باشد. به عنوان نتیجه می‌توان گفت که میدان جریان و انتقال حرارت مایعات در میکروکانالی با قطر هیدرولیکی بین μm1 تا mm1 را به راحتی با مدل‌های پیوستار کلاسیک می‌توان توصیف کرد [23].
تجهیزات ریز مقیاس از جمله مهم‌ترین کاربردهای میکروکانال‌ها در صنعت هستند. تحلیل‌های شیمیایی، دارو رسانی26 و کاربردهای بیوپزشکی و در مدارهای مجتمع و ریز پردازندهها از جمله مهم‌ترین حوزه‌های استفاده از چنین سیستم‌هایی هستند. در این گونه تجهیزات (مانند بردهای الکترونیکی) یک آرایش از میکروکانال‌ها روی یک بستر ساده (بدون دندانه) یا بستر متخلخل (با زبری یا دندانه) قرار گرفته‌ و با عبور جریان اجباری سیال خنک کننده از مسیر میکروکانالها می‌توان شار حرارتی زیادی را با یک سطح کوچک با بازده بالاتر و حداقل ماده خنک کننده، جذب کرد. نکته چالش‌برانگیز در مورد میکروکانال‌ها این است که نتایج حاصل از کارهای مختلف غیرقطعی هستند تا حدی که به طور مثال گذار از جریان آرام به مغشوش در مقالات مختلف در اعداد رینولدز بسیار گوناگون و کاملاً متفاوت با این مقدار در کانال‌های معمول گزارش شده است. مشکلات اندازه‌گیری پارامترهای ضروری برای محاسبات تئوری، در نظر نگرفتن اثرات ورودی، زبری نسبی سطوح کانال و تغییر در فرآیندهای بنیادین نظیر انحراف از فرض پیوستگی و عدم قطعیت برای ضرایب تجربی که با استفاده از کانال‌های بزرگ‌تر به دست آمده‌اند، از مهم‌ترین دلایلی است که برای این اختلافات و تناقض‌ها مطرح شده‌اند [20 و 25].
خنک کاری میکروکانالهای دندانهدار
بخش عمده‌ای از خنک کاری تجهیزات و ماشین‌های مکانیکی و الکترونیکی در صنعت را مکانیزم‌های انتقال حرارتی ماکرو و میکرو تشکیل می‌دهند. مانند اغلب تجهیزات صنعتی، خنک کاری این دسته از صنایع نیز با چالش‌ها و موانع جدی رو‌به‌روست. در برخی کاربردها از کانال‌های ماکرو و میکرو شکل به صورت ساده یا وجود عواملی مانند، زبری یا دندانهها با شکلهای مختلف، برای خنک کاری قطعات استفاده می‌شود. دلیل استفاده از کانال‌هایی با چنین شکل هندسی استفاده از حداکثر فضای موجود و افزایش سطح انتقال حرارت و تلفات نسبتاً بالای حرارت در مقایسه با ابزار متداول انتقال حرارت است. برای افزایش انتقال حرارت، روی سطوح داخلی برخی از کانال‌های انتقال حرارت دندانه‌هایی در نظر گرفته شده‌اند که به تقویت اغتشاش جریان کمک می‌کنند. مهم‌ترین این پدیده‌هایی که در کانالهای دندانه‌دار اتفاق میافتد به شرح زیر هستند [26].
مکانیزم برش
به علت اثرات برشی، حضور دیواره‌ها، دندانه‌ها سبب افزایش نرخ کرنش متوسط و در نتیجه افزایش جمله تولید اغتشاش می‌شود. با افزایش تولید اغتشاش که انرژی مورد نیاز برای بقای گردابه‌ها را تأمین می‌کند، مشخصه‌های اغتشاشی جریان تشدید یافته و بررسی آن با پیچیدگی‌های بیشتری مواجه خواهد شد.
جریان‌های ثانویه
وجود دندانه روی دیواره داخلی کانال باعث ایجاد گردابه‌های طولی و عرضی می‌شود که در قسمت‌های قبل (رجوع کنید به بخش 1-2-1) مورد بحث و بررسی قرار گرفت.
پدیده جدایی
در اثر برخورد جریان با دندانه‌ها و یا عبور جریان از ناحیه خم پدیده جدایی اتفاق می‌افتد. همان‌طور که قبلاً توضیح داده شد در محدوده جدایی، ناحیه برگشتی کم‌ترین و ناحیه اتصال بیش‌ترین میزان انتقال حرارت را دارد. نکته دیگر این که این پدیده به علت اختلاط بیشتر بین سیال نواحی هسته کانال با سیال نواحی نزدیک دیواره، انتقال حرارت را به طرز چشمگیری بهبود می‌بخشد. به طور خلاصه می‌توان گفت از بین روش‌های غیر فعالی که در جدول ‏14 معرفی شده است، تنها سطوح دندانه‌دار و تا حدی افزایش سطح انتقال حرارت در سیستم خنک کاری بالا مورد استفاده قرار گرفته است. ملاحظه می‌شود حضور روش غیرفعال سطوح دندانه‌دار و نیز شرایط هندسی تحمیلی بر مسئله بسیاری از مکانیزم‌های انتقال حرارت چون افزایش سطح انتقال حرارت، برهم زدن زیر لایه آرام، ایجاد جریان ثانویه، تقویت جدایش و اتصال و ایجاد تأخیر در توسعه لایه مرزی را فعال کرده است. اما شرایط حرارتی موجود با محدودیت‌ها و معایبی همراه است که استفاده از روش‌های دیگر را ضروری می‌سازد. روش‌های جدید باید علاوه بر تقویت مکانیزم‌های موجود، باعث ایجاد مکانیزم‌های جدید و کارآمدی برای تقویت انتقال حرارت شوند به گونه‌ای که محدودیت‌های حرارتی به حداقل برسد.
جدول ‏14- تأثیر عوامل هندسی و شرایط مرزی بر ایجاد پدیده‌های مختلف در میکروکانال دندانهدارناحیهبرشجریان ثانویهجدایشتغییر شتابپایداریگوشه‌ها•گرمایش•دندانه‌ها••••دیواره‌ها•
جمع بندی
در این بررسی حضور زبری، تأثیر استفاده از نانوسیالات، کوچک‌سازی ابعاد کانال و استفاده از آرایش‌های مختلف، همگی عواملی هستند که به طور مستقل تأثیر زیادی بر میدان جریان و افزایش انتقال حرارت درون میکروکانال دارند. با توجه به این، انتظار می‌رود ترکیب همه این روش‌ها با یکدیگر میزان انتقال حرارت را به صورت قابل توجهی افزایش دهد. استفاده هم‌زمان از همه این عوامل که می‌تواند تأثیر عمیقی در نرخ انتقال حرارت داشته باشد. در این پایان نامه، به بررسی عددی اثرات دینامیک سیالاتی و انتقال حرارت جریان مغشوش و آرام در میکروکانال دندانهدار دو و سه بعدی می‌پردازیم، که برای بررسی اثرات تغییر سیال کاری، از نانوذرات اکسید مس، آلومینیم، اکسید نقره استفاده خواهد شد. و برای رفع مشکل اصلی وجود نواحی داغ در پشت دندانههای مغشوشگر، استفاده از دندانه‌های نیمه متصل به سطح زیرین و سطح بالایی میکروکانال ارائه و بررسی میشود.
فصل دوم
تاریخچه مطالعات انجام‌شده
فصل 2 مروری بر منابع
مقدمه
محققان زیادی به بررسی رفتار جریان و انتقال حرارت در مجاری میکرو و ماکرو با شکلهای مختلف و سطح مقطع‌های مختلف پرداخته‌اند. مطالعه رفتار دینامیک سیالاتی و انتقال حرارت در میکروکانال‌ها با مطالعات تاکرمن و پیاسه [27] که در این زمینه پیشگام بودند شروع شد، بعد از آن تعدادی از مطالعات تجربی و تئوری از کار آیی حرارتی بالا در میکروکانال‌ها، در ادبیات مرجع [28] گزارش شده است. بخش عمده‌ای از این تحقیقات به بررسی تأثیر پارامترهایی چون عدد رینولدز، شکل سطح مقطع کانال، مشخصات هندسی و آرایش دندانه‌ها، زاویه حمله دندانه‌ها، معطوف بوده



قیمت: تومان

دسته بندی : پایان نامه ارشد

پاسخ دهید