دانلود پایان نامه - تحقیق - پروژه

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 ۱۳۹۳

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
متن پایان نامه :
(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 تکنولوژی نانو اولین اثر کاهش اندازه ذرات، افزایش سطح است. افزایش نسبت سطح به حجم نانوذرات باعث می­شود که اتم های واقع در سطح، اثر بسیار بیشتری نسبت به اتم های درون حجم ذرات، بر خواص فیزیکی 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 ۸ میلیمتر، طول ۱ متر در حالت تکفاز در ۲ قطر ۲۰ و۸۰  نانومتری و کسرحجمی ۱، ۲ و ۴ 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 ۱۰۰ 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 ۱۰۰ 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 ۲فازی استفاده شود.

واژه­­های کلیدی: عدد رینولدز-عدد ناسلت-ضریب انتقال حرارت جابجایی-افت فشار-کسرحجمی
 
 
 
 
 
فهرست مطالب
 
فصل۱:مقدمه
۱-۱-مقدمه.۲
۱-۲-کاربردهای نانوسیال۵
۱-۳-روش های تهیه نانوذرات ۶
۱-۴-توزیع  نانوذرات در سیال پایه.۹
فصل ۲: مروری بر پیشینه تحقیق
۲-۱-مقدمه۱۲
۲-۲-مطالعات عددی انتقال حرارت جابجایی در مقیاس نانو.۱۲
۲-۳- مطالعات تجربی انتقال حرارت جابجایی در مقیاس نانو۱۵
۲-۴-تحقیقات انجام شده در زمینه ضریب هدایت حرارتی۱۹
۲-۵-نتیجه گیری.۲۲
فصل ۳: مبانی تحلیل
۳-۱-مقدمه۲۴
۳-۲- انتقال حرارت جابجایی در جریان داخلی درون کانال.۲۴
۳-۳-معادلات حاکم بر جریان سیال در یک کانال.۲۴
۳-۴-شرایط توسعه یافتگی در کانال.۲۶
۳-۵-روش های مدلسازی جریان نانوسیال.۲۷
۳-۶-بیان مساله۳۳
۳-۷-روش حل۳۴
فصل۴: نتایج
۴-۱-استقلال شبکه۳۷
۴-۲-صحت سنجی۳۷
۴-۳- بررسی اثر نانوسیال بر میزان سرعت و افت فشار جریان.۴۶
۴-۴-نتایج.۶۴
 
فصل ۵: جمع­بندی و پیشنهادها
۵-۱-مقدمه.۷۰
۵-۲-روش تکفاز.۷۰
۵-۳- اثر تغییر قطر نانوذرات بر میزان انتقال حرارت۷۰
۵-۴- اثر تغییر کسرحجمی نانوذرات بر میزان انتقال حرارت۷۰
۵-۵- تاثیر نانوسیال بر میزان افت فشار در طول کانال۷۱
۵-۶- تاثیر نانوسیال بر میزان ماکزیمم سرعت جریان در مقطع توسعه یافته.۷۱
۵-۷-جمع بندی.۷۲
۵-۸-پیشنهادها.۷۲
مراجع.۷۳
 
 
 
 
 
 
 
فهرست جداول
صفحه
 

• جدول:  مقایسه خواص میکرو سیالات با نانو سیالات                                               ۴

۴-۱-      جدول:  ضریب انتقال حرارت جابجایی و عدد ناسلت در حالت شارثابت ۳ وجه
برای سیال آب خالص                                                                                                                ۴۴
۴-۲-      جدول:  ضریب انتقال حرارت جابجایی و عدد ناسلت در حالت شارثابت ۳ وجه
برای نانوسیال باکسر حجمی ۱%                                                                           ۴۵
۴-۳-      جدول:  ضریب انتقال حرارت جابجایی و عدد ناسلت در حالت شارثابت ۳ وجه
برای نانوسیال باکسر حجمی ۲%                                                                            ۴۶
۴-۴-      جدول:  ضریب انتقال حرارت جابجایی و عدد ناسلت در حالت شارثابت ۳ وجه
برای نانوسیال باکسر حجمی ۴%                                                                            ۴۷
۴-۵-      جدول:  ضریب انتقال حرارت جابجایی و عدد ناسلت بر روی صفحه داغ(وجه کف
با دمای ثابت)، در حالت  r_q=1   و d_p=80  برای سیال آب خالص                                      ۵۸
۴-۶-      جدول:  ضریب انتقال حرارت جابجایی و عدد ناسلت بر روی صفحه داغ(وجه کف با دمای ثابت)، در حالت  r_q=1   و d_p=80  برای نانوسیال با کسرحجمی ۴%                                   ۵۹
 
 
 
فهرست اشکال
صفحه
 
۲-۱-    شکل: میکرو گراف نانوسیال روغن ترانسفورماتور- مس در PH=6.3، (a) برای غلظت
۲ درصد و (b) برای غلظت ۵ درصد                                                                       ۲۰
۲-۲-    شکل: میکرو گراف نانوسیال روغن آب- مس در PH=6.8، (a) برای غلظت
۵ درصد و (b) برای غلظت ۵/۷ درصد                                                                    ۲۱
۴-۱-     شکل:مقایسه  نحوه تغییرات ضریب انتقال حرارت جابجایی بر روی سطوح شار ثابت    ۴۲
۴-۲-    شکل:مقایسه توزیع دما برروی دیواره کانال در راستای طولی به ازای کسرحجمی­های متفاوت                                                                                                                   ۴۳
۴-۳-    شکل: توزیع سرعت در مقطع عرضی و ناحیه توسعه یافته به ازای کسرحجمی­های متفاوت ۴۹
۴-۴-    شکل: نمودار افت فشار در طول کانال به ازای کسرحجمی­های متفاوت                           ۵۰
۴-۵-    شکل: نحوه تغییرات عدد ناسلت بر روی سطوح شار ثابت                                             ۵۱
۴-۶-    شکل: کانتور توزیع دما در مقطع عرضی خروجی برای حالت ۳ شار ثابت و یکسان ۴۰۰وات بر مترمربع                                                                                                 ۵۲
۴-۷-    شکل: توزیع ضریب انتقال حرارت جابجایی بر روی صفحه داغ و  در حالت  r_q=1   و d_p=80        ۵۶
۴-۸-    شکل: نمودار توزیع عدد ناسلت  بر روی صفحه داغ و در حالت  r_q=1   و d_p=80    ۵۷
۴-۹-      شکل: نحوه تغییرات ضریب انتقال حرارت جابجایی میانگین با نسبت شارها               ۶۲
۴-۱۰-   شکل: نحوه تغییرات عدد ناسلت میانگین با نسبت شارها در قطر ۲۰ نانومتر             ۶۳
۴-۱۱-   شکل: نحوه تغییرات ضریب انتقال حرارت جابجایی میانگین با نسبت شارها در قطر ۸۰ نانومتر       ۶۴
۴-۱۲-   شکل: نحوه تغییرات عدد ناسلت میانگین با نسبت شارها در قطر ۸۰ نانومتر                ۶۵
۴-۱۳     شکل:کانتور توزیع دما در مقطع عرضی خروجی به ازای r_q=1  و کسر حجمی
۴%  نانوسیال                                                                                                         ۶۷
۴-۱۴-   شکل: کانتور توزیع دما در مقطع عرضی خروجی، به ازای r_q=.5  و کسر حجمی
۴%  نانوسیال                                                                                                          ۶۸
۴-۱۵-   شکل: کانتور توزیع دما در مقطع عرضی خروجی، به ازای r_q=0  و کسر حجمی
۴%  نانوسیال                                                                                                         ۶۹
 
 
 
 
 
 
فهرست علائم:
d_p – قطر ذرات
C_p– گرمای ویژه در فشار ثابت
K- هدایت گرمایی
Nu- عدد ناسلت
P -فشار
Q^“– شار گرما
Re-عدد رینولدز
T- دما
X,Y,Z- جهات مختصات
U,V,W- سرعت در سه راستا
چگالی
-کسر حجمی ذرات نانوذرات
–  لزجت دینامیکی
f-  سیال
w-آب
h- ضریب انتقال گرمای جابجایی
 
 
 
 
 
 
اندیس­:
Eff- موثر
Ave- مقدار متوسط
p-  ذرات
nf-  نانو سیال
Wall-دیواره
Bf- پایش آزاد مولکولی
in-ورودی
m-متوسط وده سیال
s-متوسط روی دیوار
n-متوسط روی گره
 
 
فصل۱
 
مقدمه
 
 
 
 
۱-۱-مقدمه
در طول تاریخ بشر از زمان یونا
ن 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 می­ دهند. شاید بتوان دموکریتوس فیلسوف یونانی را پدر فناوری و علوم نانو دانست چرا که حدود ۴۰۰ 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 ۱۹۵۹، 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 یکدیگر کوچکترین مصنوعات بشری را بسازد. همانطور که گفته شد نظریه کار بر روی سیستم ها در سطح نانو برای اولین بار  توسط فینمن استاد کوانتوم بیان گردید. بعدها یک دانشجوی رشته کامپیوتر برای انجام پروژه فارغ التحصیلی خود، دانشمند بزرگ هوش مصنوعی دکتر مینسکی که پدر علم هوش مصنوعی نیزشناخته می­شود را به عنوان استاد راهنمای پروژه فارغ التحصیلی برگزید. این دانشجو آقای اریک درکسلر نام داشت که علاقه زیادی به نظریه­ های فینمن داشت. او سعی در شکوفایی این فرضیات نمود. وی بعد از اخذ درجه استادی علوم کامپیوتر با جمع آوری جوانان کوشا نظریه نانوتکنولوژی را بنا نهاد. اولین مقاله وی در زمینه نانوتکنولوژی در سال ۱۹۸۱ و با موضوع نانوتکنولوژی مولکولی به چاپ رسید. او اولین کسی بود که در سال ۱۹۹۱ از دانشگاه MIT مدرک دکتری نانوتکنولوژی را دریافت نمود. بعدها کشورهای توسعه یافته، برنامه ریزی های گسترده ای را برای فعالیت های تحقیقاتی و صنعتی در زمینه نانو تکنولوژی تدوین نمودند. واژه فناوری نانو اولین بار توسط نوریوتاینگوچی استاد دانشگاه علوم توکیو در سال ۱۹۷۴ بر زبانها جاری شد. او این واژه را برای توصیف ساخت مواد دقیقی که تلورانس ابعادی آنها در حد نانومتر باشد، به کار برد. در سال ۱۹۸۶ این واژه توسط اریک درکسلر در کتابی تحت عنوان: (موتور آفرینش، آغاز دوران­­­ فناوری نانو) بازآفرینی و تعریف مجدد شد. او این واژه را به شکل عمیق تری در رساله دکترای خود مورد بررسی قرار داده و بعدها آنرا  در کتابی تحت عنوان: ( نانوسیستمها، ماشین های مولکولی، چگونگی ساخت و محاسبات آنها) توسعه داد. نانو تکنولوژی در ترجمه لفظ به لفظ به معنی تکنولوژی بسیار کوچک­­(^۹-۱۰) است. امروزه در صنعت سرمایش و گرمایش، سیالات مبادله کننده حرارت نقش مهمی ایفا می­ کنند. با توجه به بحران انرژی و مسایل زیست‌محیطی، استفاده از تجهیزات اقتصادی­تر و سازگارتر با محیط‌زیست به عنوان یکی از موضوعات مهم علم انتقال گرما تبدیل گشته است. درحال حاضر از خنک‌کننده‌هایی مانند آب، اتیلن گلیکول، روغن مبدل و . در صنعت استفاده می­شود. راندمان پایین مایعات خنک­کننده متداول خود باعث افزایش مصرف انرژی، حجیم تر شدن تأسیسات، افزایش فضای مورد نیاز برای تجهیزات و هزینه­ های جانبی دیگر می­شود. در سال­های اخیر تحقیقات زیادی جهت بهبود عملکرد حرارتی سیالات خنک­کننده در جهان صورت گرفته است که نتیجه آن تولید نسل جدیدی از سیالات خنک­کننده به نام نانو سیالات است.
به طور کلی به مخلوطی از نانو ذرات فلزی یا غیرفلزی با قطر کمتر از ۱۰۰ نانومتر که در یک سیال پایه معلق شده باشند، نانو سیال اطلاق ­­می­شود. نمونه ­های فراوانی از نانو سیال‌ها در طبیعت وجود دارند. به عنوان مثال خون یک نانو سیال زیستی پیچیده است که نانو ذرات مختلف در ابعاد مولکولی نقش­های متفاوتی را ایفا می­ کنند. با توجه به نوع سیال پایه مورد استفاده (آلی یا غیر آلی) و همچنین نوع نانو ذرات مورد نظر، انواع مختلفی از نانو سیال‌ها به وجود می­آیند که می­توان به نانو سیال‌های استخراجی، زیست‌محیطی (کنترل­گر آلودگی محیط‌زیست)، زیستی و دارویی اشاره کرد. نانو سیال‌ها جنبه­های ویژه­ای دارند که آن‌ها را کاملاً از مخلوط سیالات دو فازی که در آن‌ها ذرات در ابعاد میکرو یا میلی‌متر هستند، متمایز می‌کنند [۱]. مخلوط سیالات دو فازی مرسوم به دلیل درشت­تر بودن ذرات، باعث انسداد کانال­های جریان می‌شوند. علاوه بر آن سرعت ته­نشینی ذرات در آن­ها بالاتر بوده و افت فشار بیشتری را ایجاد می­ کنند. خوردگی خطوط لوله نیز در این موارد بسیار مشاهده می‌شود. قدرت مورد نیاز برای پمپ کردن این سیالات بیشتر است. حال آنکه در نانو سیال‌ها به دلیل حرکت براونی و نیز بر هم کنش‌های بین ذرات و سطح بالا این آثار کاهش می‌یابد [۲]. این نتایج در جدول (۱-۱) نشان داده شده است [۳]. اولین بار چوی و ایست­من [۴] در آزمایشگاه آرگون[۱] در ایالات‌متحده نانو سیالات را تولید کرد. بعد از او محققین زیادی در مورد خواص نانو سیالات به تحقیق و پژوهش پرداختند. طبق تحقیقات صورت گرفته عوامل گوناگونی همچون سایز، جنس، شکل و غلظت ذره، دما، نوع سیال پایه، نوع رژیم جریان (آرام یا متلاطم بودن)، ترکیبات نگه‌دارنده نانو سیال و بسیاری از عوامل دیگر در تعیین خواص نانو سیال و میزان انتقال حرارت آن­ها موثرند. تاکنون رابطه دقیق و جامعی برای پیش‌بینی و تعیین ویژگی­های فیزیکی نانوسیالات به دست نیامده است و روابط تجربی موجود از نانو سیالی به نانو سیال دیگر، از غلظتی به غلظت دیگر و حتی از سایز ذره­ای به سایز ذره دیگر از همان جنس ذره، متفاوت می­باشد. به عنوان مثال انتخاب نانو ذرات
با ضریب هدایت بالاتر، مثلاً مس به جای اکسید آلومینیم موجب افزایش انتقال حرارت در نانو سیال می­گردد.
 
 
جدول (۱-۱): مقایسه خواص میکرو سیالات با نانو سیالات