پایان نامه ارشد: بررسی انتقال حرارت جابجایی اجباری در حالت جریان آرام نانوسیال در کانال با مقطع مثلثی با دو ضلع شارثابت و یک ضلع دماثابت

متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته :مهندسی مکانیک

گرایش :تبدیل انرژی

عنوان : بررسی انتقال حرارت جابجایی اجباری در حالت جریان آرام نانوسیال در کانال با مقطع مثلثی با دو ضلع شارثابت و یک ضلع دماثابت

دانشگاه آزاد اسلامی

واحد خمینی­شهر

دانشکده مکانیک

 

پایان ­نامه برای دریافت درجه کارشناسی­ارشدM.Sc

مهندسی مکانیک ـ گرایش تبدیل انرژی

بررسی انتقال حرارت جابجایی اجباری در حالت جریان آرام نانوسیال در کانال با مقطع مثلثی با دو ضلع شارثابت و یک ضلع دماثابت

استاد راهنما:

دکتر بابک مهماندوست

تابستان 1393

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 تكنولوژي نانو اولين اثر کاهش اندازه ذرات، افزايش سطح است. افزايش نسبت سطح به حجم نانوذرات باعث مي­شود که اتم هاي واقع در سطح، اثر بسيار بيشتري نسبت به اتم هاي درون حجم ذرات، بر خواص فيزيکي ذرات داشته باشند. همچنین ترکیب نانوذرات با سیال، بواسطه حرکت براونی نانوذرات و اثر خوشه­ای آنها، موجب افزایش ضریب هدایت گرمایی و ضریب انتقال حرارت جابجایی سیال می­شود. از آنجا که در بحث انتقال حرارت افزایش ضریب انتقال حرارت جابجایی میانگین به تنهایی کافی نبوده و عدد ناسلت نیز باید بررسی شود، در این  پایان نامه سعی کردیم هر دو پارامتر را در کنار هم بررسی کنیم که به نتایج قابل توجه و قابل تاملی نیز دست پیدا کردیم. استفاده از نانوسیال موجب افزایش ضریب انتقال حرارت جابجایی میانگین شده اما از طرفی به دلیل افزایش ضریب رسانایی توسط نانوذرات، ناسلت میانگین به میزان بسیار کمی افزایش می­یابد. نتایج بدست آمده حاصل پردازش های نرم افزار ANSYS-CFX  است. این نرم افزار در میان نرم افزارهای موجود از دقت بالایی برخوردار می­باشد. مساله بررسی انتقال حرارت در کانال با مقطع مثلث متساوی­­الاضلاع ، قطر هیدرولیکی 8 میلیمتر، طول 1 متر در حالت تکفاز در 2 قطر 20 و80  نانومتری و کسرحجمی 1، 2 و 4 درصد در حالت شار و دمای ثابت در سطح حل شده است. رژیم جریان آرام و عدد رینولدز بر اساس نانوسیال تعریف و در تمامی حالات برابر 100 در نظر گرفته شده است. با کاهش قطر ذرات استفاده‌شده میزان ضریب انتقال حرارت جابجایی میانگین افزایش یافته ولی در مواردی عدد ناسلت کاهش یافته که دلیل آن افزایش ضریب رسانایی با کاهش قطر ذرات است. میزان تاثیر کسرحجمی بر ماکزیمم سرعت در مقطع و  افت فشار نیز بررسی شده است.  با افزایش قطر نانوذرات به بیش از 100 نانومتر، رفتار نانوسیال به سمت عدم یکنواختی پیش می­رود و برای بدست آوردن جواب­های دقیق لازم است که از معادلات و روابط مربوط به حالت 2فازی استفاده شود.

واژه­­های کلیدی: عدد رینولدز-عدد ناسلت-ضریب انتقال حرارت جابجایی-افت فشار-کسرحجمی

 

 

 

 

 

فهرست مطالب

 

فصل1:مقدمه

1-1-مقدمه…………………………………………………………………………………………………2

1-2-کاربردهای نانوسیال………………………………………………………………………………..5

1-3-روشهای تهیه نانوذرات……………………………………………………………………………. 6

1-4-توزیع  نانوذرات در سیال پایه………………………………………………………………………9

فصل 2: مروری بر پیشینه تحقیق

2-1-مقدمه………………………………………………………………………………………………12

2-2-مطالعات عددی انتقال حرارت جابجایی در مقیاس نانو………………………………………..12

2-3- مطالعات تجربی انتقال حرارت جابجایی در مقیاس نانو……………………………………..15

2-4-تحقیقات انجام شده در زمینه ضریب هدایت حرارتی…………………………………………19

2-5-نتیجه گیری………………………………………………………………………………………22

فصل 3: مبانی تحلیل

3-1-مقدمه…………………………………………………………………………………………….24

3-2- انتقال حرارت جابجایی در جریان داخلی درون کانال………………………………………..24

3-3-معادلات حاکم بر جریان سیال در یک کانال…………………………………………………..24

3-4-شرایط توسعه یافتگی در کانال…………………………………………………………………26

3-5-روشهای مدلسازی جریان نانوسیال……………………………………………………………27

3-6-بیان مساله……………………………………………………………………………………….33

3-7-روش حل…………………………………………………………………………………………34

فصل4: نتایج

4-1-استقلال شبکه……………………………………………………………………………………37

4-2-صحت سنجی……………………………………………………………………………………37

4-3- بررسی اثر نانوسیال بر میزان سرعت و افت فشار جریان…………………………………46

4-4-نتایج……………………………………………………………………………………………..64

 

فصل 5: جمع­بندی و پیشنهادها

5-1-مقدمه………………………………………………………………………………………….70

5-2-روش تکفاز………………………………………………………………………………………..70

5-3- اثر تغییر قطر نانوذرات بر میزان انتقال حرارت…………………………………………..70

5-4- اثر تغییر کسرحجمی نانوذرات بر میزان انتقال حرارت……………………………………70

5-5- تاثیر نانوسیال بر میزان افت فشار در طول کانال…………………………………………..71

5-6- تاثیر نانوسیال بر میزان ماکزیمم سرعت جریان در مقطع توسعه یافته…………………….71

5-7-جمع بندی………………………………………………………………………………………….72

5-8-پیشنهادها……………………………………………………………………………………………72

مراجع…………………………………………………………………………………………………….73

 

 

 

 

 

 

 

فهرست جداول

صفحه

 

  • جدول:  مقايسه خواص ميکرو سيالات با نانو سيالات                                               4

4-1-      جدول:  ضریب انتقال حرارت جابجایی و عدد ناسلت در حالت شارثابت 3 وجه

برای سیال آب خالص                                                                                                                44

4-2-      جدول:  ضریب انتقال حرارت جابجایی و عدد ناسلت در حالت شارثابت 3 وجه

برای نانوسیال باکسر حجمی 1%                                                                           45

4-3-      جدول:  ضریب انتقال حرارت جابجایی و عدد ناسلت در حالت شارثابت 3 وجه

برای نانوسیال باکسر حجمی 2%                                                                            46

4-4-      جدول:  ضریب انتقال حرارت جابجایی و عدد ناسلت در حالت شارثابت 3 وجه

برای نانوسیال باکسر حجمی 4%                                                                            47

4-5-      جدول:  ضریب انتقال حرارت جابجایی و عدد ناسلت بر روی صفحه داغ(وجه کف

با دمای ثابت)، در حالت  rq=1   و dp=80  برای سیال آب خالص                                      58

4-6-      جدول:  ضریب انتقال حرارت جابجایی و عدد ناسلت بر روی صفحه داغ(وجه کف با دمای ثابت)، در حالت  rq=1   و dp=80  برای نانوسیال با کسرحجمی 4%                                   59

 

 

 

فهرست اشکال

صفحه

 

2-1-    شکل: ميکرو گراف نانوسيال روغن ترانسفورماتور- مس در PH=6.3، (a) براي غلظت

2 درصد و (b) براي غلظت 5 درصد                                                                       20

2-2-    شکل: ميکرو گراف نانوسيال روغن آب- مس در PH=6.8، (a) براي غلظت

5 درصد و (b) براي غلظت 5/7 درصد                                                                    21

4-1-     شکل:مقایسه  نحوه تغییرات ضریب انتقال حرارت جابجایی بر روی سطوح شار ثابت    42

4-2-    شکل:مقایسه توزیع دما برروی دیواره کانال در راستای طولی به ازای کسرحجمی­های متفاوت                                                                                                                   43

4-3-    شکل: توزیع سرعت در مقطع عرضی و ناحیه توسعه یافته به ازای کسرحجمی­های متفاوت 49

4-4-    شکل: نمودار افت فشار در طول کانال به ازای کسرحجمی­های متفاوت                           50

4-5-    شکل: نحوه تغییرات عدد ناسلت بر روی سطوح شار ثابت                                             51

4-6-    شکل: کانتور توزیع دما در مقطع عرضی خروجی برای حالت 3 شار ثابت و یکسان 400وات بر مترمربع                                                                                                 52

4-7-    شکل: توزیع ضریب انتقال حرارت جابجایی بر روی صفحه داغ و  در حالت  rq=1   و dp=80        56

4-8-    شکل: نمودار توزیع عدد ناسلت  بر روی صفحه داغ و در حالت  rq=1   و dp=80    57

4-9-      شکل: نحوه تغییرات ضریب انتقال حرارت جابجایی میانگین با نسبت شارها               62

4-10-   شکل: نحوه تغییرات عدد ناسلت میانگین با نسبت شارها در قطر 20 نانومتر             63

4-11-   شکل: نحوه تغییرات ضریب انتقال حرارت جابجایی میانگین با نسبت شارها در قطر 80 نانومتر       64

4-12-   شکل: نحوه تغییرات عدد ناسلت میانگین با نسبت شارها در قطر 80 نانومتر                65

4-13     شکل:کانتور توزیع دما در مقطع عرضی خروجی به ازای rq=1  و کسر حجمی

4%  نانوسیال                                                                                                         67

4-14-   شکل: کانتور توزیع دما در مقطع عرضی خروجی، به ازای rq=.5  و کسر حجمی

4%  نانوسیال                                                                                                          68

4-15-   شکل: کانتور توزیع دما در مقطع عرضی خروجی، به ازای rq=0  و کسر حجمی

4%  نانوسیال                                                                                                         69

 

 

 

 

 

 

فهرست علائم:

dp – قطر ذرات

Cp– گرماي ويژه در فشار ثابت

K- هدايت گرمايي

Nu- عدد ناسلت

P -فشار

Q– شار گرما

Re-عدد رينولدز

T- دما

X,Y,Z- جهات مختصات

U,V,W- سرعت در سه راستا

چگالي

-کسر حجمي ذرات نانوذرات

–  لزجت ديناميکي

f-  سيال

w-آب

h- ضريب انتقال گرماي جابجايي

 

 

 

 

 

 

اندیس­:

Eff- موثر

Ave- مقدار متوسط

p-  ذرات

nf-  نانو سيال

Wall-دیواره

Bf- پایش آزاد مولکولی

in-ورودي

m-متوسط وده سیال

s-متوسط روی دیوار

n-متوسط روی گره

 

 

فصل1

 

مقدمه

 

 

 

 

1-1-مقدمه

در طول تاریخ بشر از زمان یونان باستان، مردم و به خصوص دانشمندان آن دوره بر این باور بودند که مواد را می­توان آنقدر به اجزای کوچک تقسیم کرد تا به ذراتی رسید که خردناشدنی هستند و این ذرات بنیان مواد را تشکیل می­دهند. شاید بتوان دموکریتوس فیلسوف یونانی را پدر فناوری و علوم نانو دانست چرا که حدود 400 سال قبل از میلاد مسیح او اولین کسی بود که واژه اتم را که در زبان یونانی به معنی تقسیم نشدنی است برای توصیف ذرات سازنده مواد بکار برد. در سال 1959، فینمن دانشمند کوانتوم و دارنده جایزه نوبل مطرح نمود اگر دانشمندان ترانزیستور را ساخته­اند ما با علم اتمی می­توانیم همین ترانزیستورها را با مقیاس بسیار کوچک بسازیم. او قصد داشت تا با قرار دادن اتم ها در کنار يکديگر کوچکترين مصنوعات بشري را بسازد. همانطور که گفته شد نظريه کار بر روي سيستم ها در سطح نانو براي اولين بار  توسط فینمن استاد کوانتوم بیان گردید. بعدها يک دانشجوی رشته کامپيوتر براي انجام پروژه فارغ التحصيلي خود، دانشمند بزرگ هوش مصنوعي دکتر مینسکی که پدر علم هوش مصنوعي نيزشناخته می­شود را به عنوان استاد راهنماي پروژه فارغ التحصيلي برگزيد. اين دانشجو آقاي اریک درکسلر نام داشت که علاقه زیادی به نظریه­های فینمن داشت. او سعي در شکوفايي اين فرضيات نمود. وي بعد از اخذ درجه استادي علوم کامپيوتر با جمع آوري جوانان کوشا نظريه نانوتکنولوژي را بنا نهاد. اولين مقاله وي در زمينه نانوتکنولوژي در سال 1981 و با موضوع نانوتکنولوژی مولکولی به چاپ رسید. او اولین کسی بود که در سال 1991 از دانشگاه MIT مدرک دکتری نانوتکنولوژی را دریافت نمود. بعدها کشورهاي توسعه يافته، برنامه ريزي هاي گسترده اي را براي فعاليت هاي تحقيقاتي و صنعتي در زمينه نانو تکنولوژي تدوين نمودند. واژه فناوري نانو اولين بار توسط نوريوتاينگوچی استاد دانشگاه علوم توكيو در سال 1974 بر زبانها جاري شد. او اين واژه را براي توصيف ساخت مواد دقيقي كه تلورانس ابعادي آنها در حد نانومتر باشد، به كار برد. در سال 1986 اين واژه توسط اريك دركسلر در کتابي تحت عنوان: (موتور آفرينش، آغاز دوران­­­ فناوري نانو) بازآفريني و تعريف مجدد شد. او اين واژه را به شكل عميق تري در رساله دكتراي خود مورد بررسي قرار داده و بعدها آنرا  در کتابي تحت عنوان: ( نانوسيستمها، ماشين هاي مولكولي، چگونگي ساخت و محاسبات آنها) توسعه داد. نانو تکنولوژي در ترجمه لفظ به لفظ به معني تکنولوژي بسيار کوچک­­(9-10) است. امروزه در صنعت سرمايش و گرمايش، سيالات مبادله کننده حرارت نقش مهمي ايفا مي­کنند. با توجه به بحران انرژي و مسايل زيست‌محيطي، استفاده از تجهيزات اقتصادي­تر و سازگارتر با محيط‌زيست به عنوان يکي از موضوعات مهم علم انتقال گرما تبديل گشته است. درحال حاضر از خنک‌کننده‌هايي مانند آب، اتيلن گليکول، روغن مبدل و … در صنعت استفاده مي­شود. راندمان پايين مايعات خنک­کننده متداول خود باعث افزايش مصرف انرژي، حجيم تر شدن تأسيسات، افزايش فضاي مورد نياز براي تجهيزات و هزينه­هاي جانبي ديگر مي­شود. در سال­هاي اخير تحقيقات زيادي جهت بهبود عملکرد حرارتي سيالات خنک­کننده در جهان صورت گرفته است که نتيجه آن توليد نسل جديدي از سيالات خنک­کننده به نام نانو سيالات است.

به طور کلي به مخلوطي از نانو ذرات فلزي يا غيرفلزي با قطر کمتر از ۱۰۰ نانومتر كه در يك سيال پايه معلق شده باشند، نانو سيال اطلاق ­­مي­شود. نمونه­هاي فراواني از نانو سيال‌ها در طبيعت وجود دارند. به عنوان مثال خون يك نانو سيال زيستي پيچيده است كه نانو ذرات مختلف در ابعاد مولكولي نقش­هاي متفاوتي را ايفا مي­كنند. با توجه به نوع سيال پايه مورد استفاده (آلي يا غير آلي) و همچنين نوع نانو ذرات مورد نظر، انواع مختلفي از نانو سيال‌ها به وجود مي­آيند كه مي­توان به نانو سيال‌هاي استخراجي، زيست‌محيطي (كنترل­گر آلودگي محيط‌زيست)، زيستي و دارويي اشاره كرد. نانو سيال‌ها جنبه­ هاي ويژه­اي دارند كه آن‌ها را كاملاً از مخلوط سيالات دو فازي كه در آن‌ها ذرات در ابعاد ميكرو يا ميلي‌متر هستند، متمايز مي‌کنند [۱]. مخلوط سيالات دو فازي مرسوم به دليل درشت­تر بودن ذرات، باعث انسداد كانال­هاي جريان مي‌شوند. علاوه بر آن سرعت ته­نشيني ذرات در آن­ها بالاتر بوده و افت فشار بيشتري را ايجاد مي­كنند. خوردگي خطوط لوله نيز در اين موارد بسيار مشاهده مي‌شود. قدرت مورد نياز براي پمپ كردن اين سيالات بيشتر است. حال آنكه در نانو سيال‌ها به دليل حركت براوني و نيز بر هم کنش‌هاي بين ذرات و سطح بالا اين آثار كاهش مي‌يابد [۲]. اين نتايج در جدول (۱-۱) نشان داده شده است [۳]. اولين بار چوی و ایست­من [۴] در آزمايشگاه آرگون[1] در ايالات‌متحده نانو سيالات را توليد کرد. بعد از او محققين زيادي در مورد خواص نانو سيالات به تحقيق و پژوهش پرداختند. طبق تحقيقات صورت گرفته عوامل گوناگوني همچون سايز، جنس، شکل و غلظت ذره، دما، نوع سيال پايه، نوع رژيم جريان (آرام يا متلاطم بودن)، ترکيبات نگه‌دارنده نانو سيال و بسياري از عوامل ديگر در تعيين خواص نانو سيال و ميزان انتقال حرارت آن­ها موثرند. تاکنون رابطه دقيق و جامعي براي پيش‌بيني و تعيين ويژگي­هاي فيزيکي نانوسيالات به دست نيامده است و روابط تجربي موجود از نانو سيالي به نانو سيال ديگر، از غلظتي به غلظت ديگر و حتي از سايز ذره­اي به سايز ذره ديگر از همان جنس ذره، متفاوت مي­باشد. به عنوان مثال انتخاب نانو ذرات با ضريب هدايت بالاتر، مثلاً مس به جاي اکسيد آلومينيم موجب افزايش انتقال حرارت در نانو سيال مي­گردد.

 

 

جدول (1-1): مقايسه خواص ميکرو سيالات با نانو سيالات

خواص ذرات با اندازه میکرومتر ذرات با اندازه

نانومتر

پايداري ته نشين مي‌شود، پايدار نيست پايدار(به صورت سوسپانسيون باقي مي‌ماند)
نسبت سطح به حجم يک

 

حدود هزار
هدايت حرارتي (در درصد حجمي يکسان) پايين

 

بالا
مسدود کردن ميکرو کانال‌ها بله

 

خير
فرسايش دارد

 

ندارد
توان مورد نياز براي پمپاژ بالا

 

پايين

 

 

 

موضوع مهم ديگري که بايد مورد توجه قرار گيرد، پايداري نانو سيال است. براي پايداري سوسپانسيوني که از مخلوط کردن مستقيم نانو ذرات با سيال پايه ايجاد مي­شود، از مواد فعال‌کننده سطحي يا پراکنده سازهايي نظير (نمک لورات و اسيد اليک) استفاده مي‌کنند. اين مواد نانو ذرات را احاطه کرده و مانع کلوخه شدن آن‌ها مي­شوند.هم اکنون جهت کاربردهاي حرارتي به طور گسترده از نانو ذرات Cu، CuO، TiO2 وAl2O3 به همراه يکي يا ترکيب سيالات آب، آب-آمونياک، روغن مبدل و اتيلن گليکول استفاده مي­شود[۴]. معمولاً نانو سيالات توليدشده از ذرات خالص فلزي داراي خواص انتقال حرارت بهتري از نوع اکسيدشده آن فلز هستند. نانو ذرات اکسيد آلومينيوم به خوبي در آب مقطر مخلوط مي­شوند اما نانو ذرات قهوه­اي رنگ مس طي مدت زمان کوتاهي در آب اکسيدشده و به اکسيد مس سياه رنگ با خواص ضعيف­تر انتقال حرارتي نسبت به مس تبديل مي‌گردند. پس بايد در انتخاب سيال پايه و نانو ذرات دقت کافي را مبذول داشت. مزیت استفاده از اکسید نانوذرات نسبت به نانوذرات، در این است که سوسپانسیون­های پایدارتری بوجود می­آورند.

تحقيقات اخير روي نانو سيالات، افزايش قابل‌توجهي را در هدايت گرماي آن­ها نسبت به سيالات بدون نانو ذرات و يا همراه با ذرات بزرگ‌تر (ماکرو ذرات) نشان مي­دهد. از ديگر تفاوت‌هاي اين نوع سيالات، تابعيت شديد هدايت گرماي از دما، همچنين افزايش فوق‌العاده شار گرماي بحراني در انتقال گرماي جوشش آن‌هاست. نتايج آزمايشگاهي به دست آمده از نانو سيالات نتايج قابل‌بحثي است که به عنوان مثال مي­توان به انطباق نداشتن افزايش هدايت گرما با تئوري‌هاي موجود اشاره کرد. اين امر نشان‌دهنده ناتواني اين مدل­ها در پيش­بيني صحيح خواص نانو سيال است.

[1] Argonne

تعداد صفحه : 91

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.

--  --