پایان نامه ارشد: انتقال حرارت جابه¬جایی اجباری نانوسیال غیرنیوتنی تحت جریان مغشوش در میکرولوله

متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته :مهندسی مکانیک

گرایش :تبدیل انرژی

عنوان : انتقال حرارت جابه¬جایی اجباری نانوسیال غیرنیوتنی تحت جریان مغشوش در میکرولوله

دانشگاه آزاد اسلامی

واحد خمینی­شهر

دانشکده مکانیک

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد M.Sc

مهندسی مکانیک – گرایش تبدیل انرژی

انتقال حرارت جابه­جایی اجباری نانوسیال غیرنیوتنی تحت جریان مغشوش در میکرولوله

استاد راهنما:

دکتر بابک مهماندوست

استاد مشاور:

دکتر داود طغرایی

زمستان 93

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

چکیده:

در این تحقیق، جریان مغشوش یک نانوسیال غیرنیوتنی در یک میکروکانال با مقطع دایره­ای شبیه­سازی شده است. ابتدا انواع طبقه‌بندی میکروکانال­ها، روش­های ساخت میکروکانال­ها و همچنین مزایا و چالش­های استفاده از میکروکانال­ها بیان شده است. در ادامه مدل‌های مختلف در توصیف رفتار سیالات غیرنیوتنی و سپس مفهوم نانوسیال، نحوه تولید نانوذرات و تهیه نانوسیال، مدل‌های مختلف برای بیان خواص ترموفیزیکی نانوسیال­ها از قبیل چگالی، ضریب گرمایی ویژه، ضریب هدایت حرارتی و لزجت دینامیکی تشریح شده است. همچنین مدل‌های مناسب برای استفاده در این تحقیق انتخاب شده‌اند. با استفاده از نرم‌افزار CFX، معادلات بقای جرم، بقای مومنتم و بقای انرژی برای جریان مغشوش سیال غیرنیوتنی محلول آبی 5/0 درصد وزنی کربوکسی متیل سلولز و همچنین برای نانوسیال حاوی ذرات اکسید مس در سیال غیرنیوتنی مذکور حل شده است. میدان‌های سرعت، فشار و دمای نانوسیال­ها به دست آمده­اند و با تحلیل نتایج ضریب انتقال حرارت جابه­جایی و عدد ناسلت نانوسیال­ها محاسبه شده­اند. همچنین اثرات کسر حجمی یا غلظت نانوذرات، عدد رینولدز و قطر نانوذرات بر نتایج بررسی شده­اند که بیانگر افزایش ضریب انتقال حرارت جابه­جایی و عدد ناسلت با استفاده از نانوسیال غیرنیوتنی نسبت به سیال غیرنیوتنی پایه است. یک رابطه مستقیم بین این افزایش با کسرحجمی نانوذرات و عدد رینولدز وجود دارد. همچنین با کاهش قطر نانوذرات، ضریب انتقال حرارت جابه­جایی افزایش می‌یابد.

 

کلیدواژه‌ها: میکروکانال، نانوسیال، غیرنیوتنی، انتقال حرارت جابه­جایی، جریان مغشوش، عدد ناسلت

 

 

 

 

 

فهرست مطالب
عنوان  صفحه
فهرست مطالب هفت
فهرست جدول­ها ده
فهرست شکل­ها یازده
فهرست علائم سیزده
فصل اول- مقدمه 1
1-1 میکروکانال­ها 2
1-2 تغییر خاصیت رئولوژیکی سیال 2
1-3 مواد افزودنی به مایعات 2
فصل دوم-میکروکانال­ها 4
2-1 چکیده 4
2-2 تاریخچه میکروکانال­­ها 5
2-3 معرفی میکروکانال­ها 5
2-4 طبقه‌بندی میکروکانال­ها و مینی­کانال­ها 6
2-5 مزایا و چالش­های میکروکانال­ها 7
2-6 روش‌های ساخت میکروکانال­ها 8
2-6-1 فناوری متداول 9
2-6-2 تغییر شکل میکرو 9
2-6-3 اره کردن میکرو (برش‌کاری میکرو) 10
2-6-4 تکنولوژی مدرن 10
2-6-5 MEMS (سیستم میکرو الکترومکانیک) 10
2-6-6 ماشین‌کاری میکرو لیزر 10
2-7 جریان تک فاز در میکروکانال­ها 11
2-8 روابط افت فشار 11
2-9 روابط انتقال حرارت 13
2-9-1 جریان مغشوش 13
2-10 کاربردهای میکروکانال­ها 14
فصل سوم- سیالات غیر نیوتنی 15
3-1 طبقه‌بندی سيالات غیر نیوتنی 15
3-1-1 سيالات غیر نیوتنی مستقل از زمان 16
3-1-2 مدل قاعده توانی 18
3-1-3 مدل کراس 18
3-1-4 مدل کارئو 19
3-1-5 مدل الیس 19
3-1-6 سيالات غير نيوتني تابع زمان 19
3-1-7 سيالات ويسكوالاستيك 21
فصل چهارم- نانوسیالات 22
4-1 مفهوم نانوسیالات 22
4-2 مزایای نهان نانوسیال 24
4-3 تهیه نانوسیال 26
4-4 خواص ترموفیزیکی نانوسیالات 28
4-4-1 چگالی 28
4-4-2 گرمای ویژه 28
4-4-3 لزجت 29
4-4-4 ضریب هدایت حرارتی 31
4-5 فناوری نانو 37
4-6 تولید نانوذرات 38
4-6-1 فرآیندهای حالت بخار 38
4-6-2 فرآیند حالت مایع و حالت جامد 39
4-6-3 تولید نانوذرات با استفاده از روش سیال فوق بحرانی 40
4-7 نانولوله­ها 41
4-8 انتقال حرارت جابه­جایی در نانوسیالات 42
4-8-1 جابه­جایی اجباری در نانوسیالات 43
4-8-2 مدل‌های ریاضی تعیین ضریب انتقال حرارت جابه­جایی نانوسیالات 43
4-8-3 انتقال حرارت جابه­جایی طبیعی 47
فصل پنجم- اغتشاش 48
5-1 مقدمه 48
5-2 ویژگی­های جریان اغتشاشی سیالات 50
5-3 مدل‌های اغتشاشی 51
5-3-1 مدل k-e 51
5-3-2 استفاده از تابع جریان در مدل k-e برای اعداد رینولدز بالا 52
5-3-3 مدل k-e در اعداد رینولدز پایین 53
5-3-4 مدل  RNG 53
5-3-5 مدل k-w 54
5-3-6 مدل تنش رینولدزی (RSM) 55
فصل ششم- مطالعات آزمایشگاهی، عددی و تئوریک 56
6-1 مقدمه 56
6-2 مطالعات آزمایشگاهی 57
6-3 مطالعات تئوریک 60
6-4 مطالعات عددی 63
فصل هفتم- بیان مسئله 67
7-1 مقدمه 67
7-2 تشریح مسئله 68
7-3 تعیین خواص ترموفیزیکی نانوسیال 69
7-4 استقلال شبکه و تعیین شرایط مرزی 71
فصل هشتم- نتایج 73
8-1 محاسبه خواص ترموفیزیکی نانوسیال 73
8-2 محاسبه ضریب انتقال حرارت جابه­جایی و عدد ناسلت 74
8-3 اعتبار سنجی 77
8-4 محاسبه ضریب انتقال حرارت جابه­جایی  و عدد ناسلت سیال غیرنیوتنی پایه 78
8-5 تأثیر غلظت نانوذرات بر ضریب انتقال حرارت جابه­جایی و عدد ناسلت 80
8-6 تأثیر اندازه نانوذرات بر ضریب انتقال حرارت جابه­جایی 86
8-7 تأثیر عدد رینولدز بر ضریب انتقال حرارت جابه­جایی نانوسیال و عدد ناسلت 89
فصل نهم- جمع‌بندی و پیشنهاد‌ها 93
9-1 جمع‌بندی 93
9-2 پیشنهاد‌ها 94
مراجع 95
Abstract 103
فهرست جدول­ها
عنوان صفحه
جدول 2-1 روش‌های ساخت میکروکانال­ها 8
جدول 2-2 خلاصه‌ای از برخی از روش‌های ساخت میکروکانال­ها 9
جدول 2-3 مقادیر مشخصه جریان آرام در کانال‌های مدور و غیر مدور 13
جدول 4-1 مدل‌های لزجت برای نانوسیالات 30
جدول 4-2 تعیین متغیرb برای استفاده در رابطه (4-14) 33
جدول 5-1 تاریخچه مختصر از شخصیت­ها و نظریات تأثیرگذار 49
جدول 7-1 رینولدز بحرانی در میکروکانال­های مدور 68
جدول 7-2 استقلال شبکه 71
جدول 8-1 خواص ترموفیزیکی محاسبه شده برای نانوسیال موردتحقیق 74
جدول 8-2 ضریب و اندیس قاعده توانی در غلظت‌های موردنظر 74
جدول 8-3 مقایسه عدد ناسلت میانگین سیال نیوتنی آب به دو روش در رینولدزهای متفاوت 78

 

 

فهرست شکل­ها
عنوان  صفحه
شكل 31 منحني­هاي تنش برشي در برابر نرخ برش براي سيالات مستقل از زمان 17
شكل 32 منحني­هاي تنش برشي در برابر نرخ برش براي سيالات غير نيوتني تابع از زمان 21
شکل 4-1 ضریب هدایت حرارتی بعضی از مواد 24
شکل 7-1 دامنه حل و هندسه جریان 69
شکل 7-2 شبکه­بندی در راستای شعاع و راستای طول 71
شکل 8-1 تغییرات دماهای دیواره و میانگین سیال غیرنیوتنی پایه در رینولدز 6000 75
شکل 8-2 تغییرات دماهای دیواره و میانگین نانوسیال غیرنیوتنی حاوی ذرات اکسید مس با درصد غلظت 5/1 و اندازه 100 نانومتر در رینولدز 6000 76
شکل 8-3 تغییرات دماهای دیواره و میانگین سیال غیرنیوتنی پایه و نانوسیال غیرنیوتنی در رینولدز 6000 77
شکل 8-4 تغییرات ضریب انتقال حرارت موضعی سیال غیرنیوتنی پایه در طول لوله و اثر عدد رینولدز 79
شکل 8-5 تغییرات عدد ناسلت موضعی سیال غیرنیوتنی پایه در سه رینولدز مختلف 80
شکل 8-6 اثر غلظت ذرات و عدد رینولدز بر ضریب انتقال حرارت جابه­جایی میانگین برای ذرات با اندازه 25 نانومتر 80
شکل 8-7 اثر غلظت ذرات و عدد رینولدز بر ضریب انتقال حرارت جابه­جایی میانگین برای ذرات با اندازه 50 نانومتر 81
شکل 8-8 اثر غلظت ذرات و عدد رینولدز بر ضریب انتقال حرارت جابه­جایی میانگین برای ذرات با اندازه 100 نانومتر 82
شکل 8-9 اثر غلظت ذرات و عدد رینولدز بر عدد ناسلت میانگین برای ذرات با اندازه 25 نانومتر 83
شکل 8-10 اثر غلظت ذرات و عدد رینولدز بر عدد ناسلت میانگین برای ذرات با اندازه 50 نانومتر 84
شکل 8-11 اثر غلظت ذرات و عدد رینولدز بر عدد ناسلت میانگین برای ذرات با اندازه 100 نانومتر 85
شکل 8-12 تغییرات ضریب انتقال حرارت جابه­جایی میانگین نسبت به تغییر اندازه نانوذرات در رینولدز 2500 86
شکل 8-13 تغییرات ضریب انتقال حرارت جابه­جایی میانگین نسبت به تغییر اندازه نانوذرات در رینولدز 4500 87
شکل 8-14 تغییرات ضریب انتقال حرارت جابه­جایی میانگین نسبت به تغییر اندازه نانوذرات در رینولدز 6000 88
شکل 8-15 اثر رینولدز بر ضریب انتقال حرارت جابه­جایی موضعی نانوسیال در غلظت 5/0 درصد حجمی ذرات و اندازه 25 نانومتر90 89
شکل 8-16 اثر رینولدز بر ضریب انتقال حرارت جابه­جایی موضعی نانوسیال در غلظت 5/0 درصد حجمی ذرات و اندازه 50 نانومتر 90
شکل 8-17 اثر رینولدز بر ضریب انتقال حرارت جابه­جایی موضعی نانوسیال در غلظت 5/0 درصد حجمی ذرات و اندازه 100 نانومتر 90
شکل 8-18 اثر رینولدز بر عدد ناسلت موضعی نانوسیال در غلظت 5/0 درصد حجمی ذرات و اندازه 25 نانومتر 91
شکل 8-19 اثر رینولدز بر عدد ناسلت موضعی نانوسیال در غلظت 5/0 درصد حجمی ذرات و اندازه 50 نانومتر 91
شکل 8-20 اثر رینولدز بر عدد ناسلت موضعی نانوسیال در غلظت 5/0 درصد حجمی ذرات و اندازه 100 نانومتر 92

 

 

فهرست علائم:

 

علائم:

A- مساحت

Ac– سطح مقطع

Cp– گرماي ويژه در فشار ثابت

dp- اختلاف فشار

dh– قطر هیدرولیکی

dp – قطر ذرات

D- قطر

h- ضريب انتقال گرماي جابجايي

k- ضریب هدايت گرمايي، ضریب قاعده توانی

K- ضریب قاعده توانی

KB– ثابت بولتزمن

L- طول

n- توان قاعده توانی

Nu- عدد ناسلت

NA– عدد آووگادرو

P – فشار

Pe- عدد پکله

Pr- عدد پرانتل

Pw– محیط خیس شده

q– شار حرارتی

Re- عدد رينولدز

Recr– عدد رينولدز بحرانی

T- دما

s– دمای سطح

Tf– دمای میانگین

Tw– دمای دیواره

u- سرعت

um– سرعت میانگین

V- سرعت

 

سمبل­های یونانی:

a- ضریب پخش

l- ثابت لاپلاس، پویش آزاد ملکولی

m- لزجت ديناميکي

r- چگالي

tw– تنش دیواره

j-کسر حجمي نانوذرات

 

اندیس­ها­:

Brownian- براونی

eff- موثر

f- سيال

Gn- گنيلينسكي

nf-  نانوسيال

p- ذرات

 

فصل اول

 

 

 

 

مقدمه

 

در چند دهه اخیر به‌منظور صرفه‌جویی در مصرف انرژی و مواد اولیه و با در نظر گرفتن مسائل اقتصادی و زیست‌محیطی تلاش­های زیادی برای ساخت دستگاه­های تبادل حرارت پربازده صورت پذیرفته است. هدف اصلی کاهش اندازه مبدل حرارتی موردنیاز برای یک بار حرارتی معین و افزایش ظرفیت مبدل­های حرارتی موجود می­باشد. تقاضای جهانی برای دستگاه­های تبادل حرارتی کارآمد، قابل‌اطمینان و اقتصادی مخصوصا در صنایع فرآیندی، تولید الکتریسیته، سیستم­های سرمایش و تهویه مطبوع، مبدل­های حرارتی، وسایل نقلیه و… به سرعت رو به افزایش است. اگر اصول مربوط به روش­های افزایش انتقال حرارت و طراحی دستگاه­های انتقال حرارت با سطح زیاد به‌خوبی شناخته شوند، امکان صرفه‌جویی در مصرف انرژی و کاهش آلودگی محیط‌زیست میسر خواهد بود. روش­های متعددی برای افزایش انتقال حرارت وجود دارند که به دو دسته کلی تقسیم می­شوند.

  • روش­های غیرفعال[1] که نیازی به اعمال نیروی خارجی ندارند.
  • روش­های فعال[2] که نیازمند نیرو با توان خارجی می­باشند.

روش­های غیرفعال شامل استفاده از سطوح گسترده، مبدل­های حرارتی فشرده، مجاری با مقطع غیر مدور، افزایش انتقال حرارت گردابه­ای[3]، تغییر خاصیت رئولوژیکی سیال، میکروکانال­ها، پوشش دهی و پرداخت سطح، استفاده از وسایل جابه‌جاشونده داخل مجرای سیال، استفاده از وسایل چرخاننده جریان، ایجاد انقطاع و شکستگی در جریان، لوله­های مارپیچی، مواد افزودنی به مایعات و گازها هستند. روش­های فعال شامل هم زدن مکانیکی، تراشیدن سطح، سطوح چرخنده، نوسان سطح، نوسان سیال، استفاده از میدان الکتریکی، تزریق و مکش می­باشند. در این مطالعه از روش­های غیرفعال شامل میکروکانال­ها، تغییر خاصیت رئولوژیکی سیال و مواد افزودنی به مایعات برای افزایش انتقال حرارت استفاده خواهد شد.

[1] Passive techniques

[2] Active techniques

[3] Vortex heat transfer enhancement

تعداد صفحه : 129

قیمت : 14700 تومان

———–

——-

پشتیبانی سایت :               serderehi@gmail.com

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

--  --