کلمات کلیدی:نانوسیال، شبیه سازی دینامیک مولکولی، ضریب هدایت حرارتی،انتقال حرارتفهرست مطالبفصل اول :مقدمهعنوان صفحه1-1-تاریخچه شبیه سازی های رایانه ای 21-2-نانوتکنولوژی 31-2-1-کاربردها 41-3- نانو ذرات 41-3-1-کاربردهای نانو ذرات 51-4- نانو سیالات 51-4-1-کاربردهای نانو سیال 71-5-اهداف پایان نامه 9فصل دوم: مبانی نظریه موضوع2-1-اهمیت انتقال حرارت 112-1-1-اهمیت انتقال حرارت پیشرفته (انتقال حرارت نانو میکرومقیاس ) 112-1-2- دلایل اصلی بهبود انتقال حرارت در نانوسیالات. 142-2- خواص نانو سیال 152-2-1- افزایش هدایت حرارتی 152-2-1-1- عوامل موثر برضریب هدایت حرارتی نانوسیال 152-3- مدل های ریاضی تخمین ضریب هدایت حرارتی نانوسیالات 242-4-افزایش ویسکوزیته 282-5- شبیه سازی های دینامیک مولکولی و فرضیات حل مسئله 302-5-1- روش های بررسی دینامیک حرکت 302-6-مکانیک آماری 332-7-دینامیک نیوتنی 332-8-دینامیک هامیلتونی 352-9-انتخاب پیکربندی اولیه 382-9-1-فاکتور تراکم اتمی در سلول واحد Fcc 402-9-1-1-محاسبهفاكتورتراكماتميدرسلولواحدFcc 402-9-2-محاسبهدانسيتهتئوريموادكريستالي 412-10-ابعاد، واحدها و مطابق کردن آنها 412-11-مرزهای سیستم 442-11-1-شرایط مرزی متناوب 442-12-میدان های نیرو 462-12-1- پتانسیل برهمکنش و میدان های نیرو 472-12-2- پتانسیل های مدل کره- سخت 492-12-3-پتانسیل لنارد- جونز 512-12-4- نیروهای برد بلند 552-12-5-برهمکنش های ناپیوندی الکترواستاتیکی 572-12-6- محاسبه بارهای اتمی جزیی 572-12-4-3- روش جمع اوالد 592-13-برهمکنشهای میان مولکولهای آب و نانوذره 632-14-پتانسیل بین نانو ذرات 652-15-قطع پتانسیل و قرار دادن نزدیک ترین تصویر 652-16-انتگرال گیری از معادله های حرکت نیوتن 672-16-1-الگوریتم ورلت 682-17-انتخاب گام زمانی 722-18-شروع و اجرای شبیه سازی های دینامیک مولکولی 732-19-دما 742-20- محاسبه خواص ترمودینامیکی ساده 762-21- خواص قابل محاسبه 772-21-1-انرژی پتانسیل 782-21-2- انرژی جنبشی 782-21-3- انرژی کل 782-21-4- ظرفیت گرمایی 782-22-5-محاسبه ضریب هدایت حرارتی نانوسیال بروش شبیه سازی دینامیک مولکولی 792-23-مدل های آب 802-23-1-مدل های ساده آب 802-23-1-1-مدل های دو سایتی 812-23-1-2-مدل های سه سایتی 812-23-1-3-.مدل های چهار سایتی 822-23-1-4- مدل پنج سایتی 832-23-1-5-مدل 6 سایتی 842-23-1-6-هزینه محاسباتی 84فصل سوم:مروری بر کارهای گذشته3-1- مروری بر کارهای گذشته 86فصل چهارم:روش تحقیق4-1-محاسبه ضریب هدایت حرارتی آب بوسیله روش شبیه سازی دینامیک مولکولی 914-2-محاسبه ضریب هدایت حرارتی نانوسیال بوسیله روش شبیه سازی دینامیک مولکولی 914-3-فلوچارت برنامه 92فصل پنجم:نتایج و بحث5-1-هدایت گرمایی نانوسیال 935-2-ضریب هدایت حرارتی آب 935-3-ضریب هدایت حرارتی نانو سیال 975-4-اثر افزایش تعداد مولکول ها 985-5-اثر دما بر ضریب هدایت حرارتی نانو سیال 995-6-بررسی اثر غلظت ضریب بر هدایت حرارتی نانو سیالات 1015-7-اثر اندازه ذرات بر ضریب هدایت حرارتی نانوسیال با نانوذره های 3/0 و 0/6 نانومتری 1045-8-اثر نوع ذرات بر ضریب هدایت حرارتی نانوسیالات 105 فصل ششم:نتیجه گیری و پیشنهادات6-1- نتیجه گیری 1086-2- پیشنهادات 110 فهرست اشکالشکل(2-1):وابستگی هدایت حرارتی موثر نانوسیالات Al2O3 به درصد وزنی نانوذرات 16شکل(2-2):وابستگی هدایت حرارتی موثر نانوسیالات TiO2(15nm) به درصد وزنی نانوذرات 16شکل (2-3):نسبت ضریب هدایت حرارتی نانو سیال(CuO in Water) به سیال پایه بر حسب غلظت نانوذره 17شکل(2-4):تاثیر نوع ذرات فلزی و اکسید های فلزی بر ضریب هدایت حرارتی نانوسیال 18شکل(2-5):تاثیر نوع ذرات بر ضریب هدایت حرارتی نانو سیالات 18شکل(2-6):تاثیر نوع و اندازه ی نانو ذرات بر نسبت ضریب هدایت حرارتی نانو سیال به سیال پایه 19شکل(2-7):تاثیر اندازه ذرات بر نسبت ضریب هدایت حرارتی موثر نانوسیال به سیال پایه 19شکل (2-8):داده های نشان دهنده تناقض موجود در تاثیر اندازه ذرات بر ضریب هدایتحرارتی موثر نانوسیال 20شکل(2-9):اثر نوع سیال پایه بر ضریب هدایت حرارتی نانوسیال آلومینا و سیال پایه 21شکل(2-10): محاسبه نسبت ضریب هدایت حرارتی در pHهای متفاوت برایAl2O3-DW 22شکل(2-11):تاثیر دما بر بدست آوردن هدایت حرارتی نانو سیالات 23شکل(2-12):وابستگی هدایت حرارتی نانوسیال اکسید مس/آب به زمان 24شکل(2-13):مقایسه بین مدل های تئوری و نتایج تجربی برای محاسبه هدایت حرارتی نانو سیال Al2O3 و آب 27شکل (2-14) شبکه fcc مکعبی وجوه پر 39شکل (2-15): رابطهبينپارامترشبكهوشعاعاتميدرساختارمكعبيمراكزوجوهپر 40شکل(2-16):سهميكاتمواقعدرگوشه(a)، روييال (b) رويوجه(c) ،وهرسه(d) دريكسلولواحدمكعبي 40شکل(2-17): شرایط مرزی متناوب در دو بعد 45شکل(2-18): سلول های مختلف مورد استفاده در شبیه سازی ها 46شکل(2-19):پتانسیل های کره سخت 49شکل(2-20):پتانسیل تابعی لنارد- جونز 51شکل(2-21): پتانسیل کره نرم با قسمت دافعه (الف) و (ب) 53شکل( 2-22 )پتانسیل لنارد- جونز تفکیک شده 54شکل (2-23):ساختن کره ای از جعبه های شبیه سازی،برای سادگی سیستم بسیار کوچکی از دو جفت یون نشان داده شده است . 59شکل(2-24):در روش جمع اوالد مجموعه اولیه بارها با توزیع گاوسی احاطه می شوند . یک توزیع بار دیگر برای خنثی کردن توزیع بار اول به آن اضافه می شود 61شکل(2-25): قرارداد نزدیک ترین تصویر دو بعدی 66شکل (2-26): فرآیند انتگرال گیری برای سه الگوریتم ورلت، جهشی و ورلت سرعتی 72شکل(2-27): چگونگی کاهش نوسانات انرژی پتانسیل سیستم در هنگام به تعادل رسیدن سیستم 74شکل(2-28):نمونه ای از ثابت نگه داشتن دما در حین اجرای برنامه 75شکل(2-29):مدل های مختلف مولکول آب 81شکل(5-1):نمودار نوسانات انرژی پتانسیل نسبت به زمان و به تعادل رسانی سیستم در دمای 293 کلوین 93شکل(5-2): نمودار نوسانات انرژی پتانسیل نسبت به زمان و به تعادل رسانی سیستم در دمای 303کلوین 94شکل(5-3): ثابت نگه داشتن دما را در حین شبیه سازی نانوسیال در دمای 323 درجه کلوین نشان می دهد 94شکل(5-4):نمودار نوسانات انرژی پتانسیل نسبت به زمان و به تعادل رسانی سیستم در دمای323 کلوین 95شکل(5-5):ضریب هدایت حرارتی آب در دما های مختلف 95شکل(5-6):مقایسه نتایج شبیه سازی با داده های تجربی برای ضریب هدایت حرارتی آب در دماهای مختلف 96شکل(5-7):نمودار نوسانات انرژی پتانسیل نسبت به زمان و به تعادل رسانی نانوسیال در دمای 293 کلوین 97شکل(5-8):نحوه ثابت نگه داشتن دما در حین اجرای شبیه سازی در دمای 293 کلوین 98شکل(5-9):نوسانات انرژی پتانسیل و به تعادل رسیدن سیستم نانوسیال در دمای 293 و غلظت45/0 درصد بمنظور بررسی اثر افزایش تعداد مولکول های آب بر ضریب هدایت حرارتی نانوسیال 99شکل(5-10):نوسانات انرژی پتانسیل و به تعادل رسیدن نانوسیال در دمای 303 100شکل(5-11):نوسانات انرژی پتانسیل و به تعادل رسیدن نانوسیال در دمای 323 100شکل(5-11): تاثیر افزایش دما بر ضریب هدایت حرارتی نانوسیال 101شکل(5-12):نوسانات انرژی پتانسیل و به تعادل رسیدن سیستم نانوسیال در دمای 293 و غلظت 85/1 درصد 101شکل(5-13):نوسانات انرژی پتانسیل و به تعادل رسیدن سیستم نانوسیال در دمای 293 و غلظت4 درصد 102شکل (5-14):ضریب هدایت حرارتی نانو سیال حاصل از شبیه سازی 102شکل (5-15):مقایسه ضریب هدایت حرارتی نانو سیال حاصل از شبیه سازی و داده های تجربی 105شکل(5-16):تاثیر اندازه نانوذره بر ضریب هدایت حرارتی نانوسیال 104شکل(5-17): نوسانات انرژی پتانسیل و به تعادل رسیدن سیستم نانوسیال در دمای 293 و غلظت45/0 درصد بمنظور بررسی اثر اندازه ذرات بر ضریب هدایت حرارتی نانوسیال 105شکل(5-18): نوسانات انرژی پتانسیل و به تعادل رسیدن سیستم نانوسیال در دمای 293 و غلظت45/0 درصد بمنظور بررسی اثر اندازه ذرات بر ضریب هدایت حرارتی نانوسیال 106شکل(5-19):اثر نوع ذرات معلق در نانوسیالات بر ضریب هدایت حرارتی 106شکل(5-20): مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی با داده های تجربی برای ویسکوزیته اب 107شکل(5-21):محاسبه ویسکوزیته نانوسیال آب ودر سه دمای 20،35 و 50 درجه سانتیگراد و مقایسه نتایج بدست آمده با داده های تجربی 108شکل(5-22):بررسی اثر افزایش غلظت بر ویسکوزیته انو سیال آب و و مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی با داده های تجربی 109 فهرست جداولجدول (2-1):مدل های تخمین ضریب هدایت حرارتی سوسپانسیون های جامد-مایع 25جدول (2-2):مدل های تخمین ویسکوزیته نانوسیال 29جدول(2-3):انواع معادلات حرکت که تحولات زمانی یک سیستم فیزیکی را توصیف می کنند. 31جدول (2-4):پارامتر های مورد نیاز برای مدل های سه سایتی 83جدول(2-5):پارامتر های مورد نیاز برای مدل های چهار سایتی 84جدول(2-6):پارامتر های مورد نیاز برای مدل های پنج سایتی 85جدول (5-1):مقایسه ضریب هدایت حرارتی تجربی آب با نتایج حاصل از شبیه سازی مولکولی 97جدول(5-2):خطای محاسباتی نسبت به داده های تجربی 98جدول(5-3):محاسبه ضریب هدایت حرارتی نسبی نانو سیال در دمای 20 درجه و محاسبه میزان خطای محاسباتی 99جدول(5-4):مقایسه نتایج حاصل از 864 مولکول آب با 1372 مولکول آب 100جدول(5-5):تاثیر دما بر ضریب هدایت حرارتی نانو سیال 101جدول(5-6):مقایسه نتایج شبیه سازی با داده های تجربی [46] برای ضریب هدایت حرارتی نانوسیال درغلظتهای مختلف در دمای 20 104جدول(5-7): نتایج حاصل از شیبه سازی برای ضریب هدایت حرارتی نسبی نانو سیال در غلظتهای مختلف 105جدول(5-8): مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی با داده های تجربی برای ویسکوزیته آب 108جدول(5-9):مقایسه نتایج بررسی اثر افزایش دما برویسکوزیته نانو سیال آب وبا داده ای تجربی 109جدول(5-10): مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی و داده های تجربی در بررسی اثر افزایش غلظت بر وسکوزیته نانوسیال 110 1- مقدمه1-1- تاریخچه شبیه سازی های رایانه ایقریب 60 سال از اولین شبیه سازی کامپیوتری یک سیال می گذرد. این شبیه سازی در آزمایشگاه های ملی لوس آلاموس[1] در آمریکا انجام شد. کامپیوتری که در لوس آلاموس بکار رفت اصطلاحا MANIAC نامیده می شد. امروزه میکروکامپیوترهای قدرتمند با قیمت مناسب در دسترس عموم قرار دارند و می توانند برای انجام شبیه سازیهای متعدد بکار روند. کاری که مترو پلیس و همکارانش در سال 1953 میلادی انجام دادند، زیربنای شبیه سازی مونت کارلوی مدرن را تشکیل داد. تکنیک ساده آنها هنوز هم در شبیه سازی ها کاربرد وسیع دارد و بطور خلاصه MD نامیده می شود. در مدل اولیه تقریب های ایده آلی از قبیل کره سخت[2] برای مولکول ها در نظر گرفته شده بودند اما در طی چند سال شبیه سازی هایی بر پایه برهمکنش لنارد- جونز صورت گرفت. بعدها دینامیک مولکولی یا بطور خلاصه MD برای اولین بار برای مجموعه ای از اتم های سخت با موفقیت بکار برده شد. در این مطالعه فرض شده بود که ذرات با سرعت ثابت در میان برخوردهای کاملا الاستیک در حال حرکتند. چند سال بعد، اولین تلاش موفق در حل معادلات حرکت نیوتن با فرض برهمکنشهای لنارد- جونز صورت گرفت. این شبیه سازی با تقریب گام به گام و با فرض اینکه نیروها بطور پیوسته با حرکت ذرات تغییر می کنند، انجام شد. مشخصات مدل لنارد- جونز بعدا بطور کامل بررسی شد. پس از پایان مطالعات اساسی اولیه بر روی سیستم اتم ها، شبیه سازی ها با سرعت زیادی توسعه یافتند. کوشش هایی برای شبیه سازی مایعات دو اتمی نیز با استفاده از دینامیک مولکولی و مونت کارلو در سال های قبل ادامه داشته است. شبیه سازی آب همواره از موضوعات مورد علاقه بوده است. مولکول های صلب کوچک، هیدروکربنهای انعطاف پذیر و حتی مولکولهای طویلی نظیر پروتئین ها همگی از جمله اهداف مورد علاقه در سالهای اخیر بوده اند. یادآور می شویم که تکنیک های شبیه سازی رایانه ای با ارائه روش های غیر تعادلی اندازه گیری ضرایب انتقال، پیشرفت چشمگیری کرده اند.1-2-نانوتکنولوژییک نانومتر متر می باشد. بسته به ا ندازه اتم بین 3 تا 6 ا تم را می توان در یک نا نومتر جای داد. با ایجاد ارتباط میان اندازه اتم ها ومقیاس نا نو می توان یک نا نومتر را راحتترتصورکرد. طبق تعاریف مقیاس طولی بین 1 تا 100 نانومتر را مقیاس نا نو می گویند.نانو فناوری عبارت است از: هنر دستکاری مواد در مقیاس ا تمی یا مولکولی و به خصوص ساخت قطعات و لوازم میکروسکوپی (مانند روبات های میکروسکوپی). این فناوری بر پایه دستکاری تک تک اتم ها و مولکول ها استوار است، بدین منظور که بتوان ساختاری پیچیده را با خصوصیات ا تمی تولید کرد. این دانش توانایی کار در سطح اتمی وایجاد ساختارهایی که نظم مولکولی جدیدی دارند را دارا می باشد. ماده اصلاح شده در مقیاس نا نو خصوصیات مفید وجدیدی را دارا می گردد که قبلا در آن مشاهده نمی گردید.فناوری نا نو می توا ند شامل توسعه و ا ستفاده از ادوات وقطعاتی که اندازه آنها تنها چند نانومتر است. نیز باشد .به طور کلی فناوری نانو واژه ای است که به تمام فناوری های پیشرفته در عرصه کار با مقیاس نانو ا طلاق می شود.در حالی که تعاریف زیادی برای فناوری نانو وجود دارد، مرکز بین المللی نانوتکنولوژی[3] تعریفی را برای فناوری نا نو ارائه می دهد که در برگیرنده هرسه تعریف ذیل می باشد: 1-2-1 کاربردها زمینه های بالقوه نانوتکنولوژی عبارتند از: الکترونیکارتبا طات، برق (قدرت )،کامپیوتر صنایع شیمیایی و داروسازی، بهداشت و محیط زیست، تکنولوژی اطلاعات، بیوتکنولوژی،امنیت ملی، پزشکی و ا نرژی.به دست آوردن یا رسیدن به قدرت و توانایی کنترل در سطح مولکولی در سرتاسر سا ختار ماده تنوع گسترده ای از کاربردهای مثبت را به همراه خوا هد آورد.زمینه هایی که نانو تکنولوژی قبلا در آنها به کاررفته است عبارتند اند : از پزشکی و دارویی، تولید و انرژی ، نساجی مخا برات و ارتبا طات، مواد شیمییایی، علوم ومهندسی مواد، محیط زیست،فناوری اطلاعات سیستم های میکرو الکترومکانیکی[4] ، مواد مقام در برابر فرسودگی، بهبود و اصلاح نامرئی مواد آسیب دیده (دارای نقص های ساختاری )،نانوماشین ها و نانوالاسیستیه، وسایل نانو الکتریکی و مغناطیسی، دستگاههای محاسبه جدید و ابزارهای اپتو الکترونیک خواهند بود[2].1-3-نانو ذرات ذرات نانومتری به عنوان مواد نانومتری پیش سازنده برای تولید ساختار ها و ادوات پیچیده به کار می روند و استفاده از آن ها سبب بهبود و تغییر پدید ه فیزیکی شیمیایی یا فرآیند های بیولوژیکی می گرددو باعث بروز خواص جدیدی می شود. این خواص نیروی محرکه ای را به وجود آورده وسبب پیگیری وانگیزه بیشتر برای ادامه تحقیقات می گردد[1].نانو مواد را گاهی اوقات وقتی متراکم و فشرده نشده باشند نانو پودر[5] می گویند که اندازه دانه های آنها حداقل در یک بعد و معمولا درسه بعد در محدوده 1 تا 100 نانومترمی باشد. نانوذرات انواع فلزی ،اکسید های فلزی ،هادی و نیمه هادی ها،نانو ذرات ترکیبی نظیر ساختار های هسته لایه و حتی نانو لوله های کربنی را در بر می گیرد.نانوذرات بعنوان مواد با سطح مقطع بالا،خواص شیمیایی ، مکانیکی،ومغناطیسی بهتری از خود نشان می دهند که آنها را از مواد توده ای با ابعاد معمولی و بزرگ متمایز می دارد[3].1-3-1-کاربردهای نانو ذرات از جمله کاربردهای آنها می توان به سیستم های بیولوژیکی ،پزشکی ،توزیع دارو در بدن ،کاتالیست ،سرامیک ،الکترونیک ومغنا طیس ،محیط زیست وانرژی اشاره کرد [3].مواد عایق کننده ،ماشین ابزارها ،فسفرها یا مواد تابنده ،باطری ها ،آهنربا های ،پرقدرت،وسایل نقلیه موتوری و هواپیما، کاشتهای طبی ،کاربردهای پزشکی ونانوسیال که از مخلوط کردن نانوذرات دریک سیال پایه حاصل می شود نیز از سایر کاربردهای نانو ذرات می باشد [1].1-4- نانو سیالات اغلب سیالات معمول در سیستم های گرمایشی و سرمایشی هما نند آب ، اتیلن گلیکول، پرو پیلن گلیکول، روغن موتور استن، روغن های معد نی . در مورد ویژگی های حرارتی دارای محدودیت های ذاتی هستند، که موانع متعددی را به منظور کاربرد آنها در انتقال حرارت ایجاد می کند. علی رغم تحقیقات وتلاش های به عمل آمده در بهبود این سیستم ها نیاز ضروری و آشکار برای توسعه یک را هکارجدید به منظور اصلاح رفتار حرارتی این سیالات احساس می شود. با توجه به اینکه جامدات فلزی و اکسیدهای آنها رسانش بالاتری نسبت به سیالات دارند، بنابراین میتوان انتظار داشت، که سیالات حاوی ذرات جامددارای هدایت گرمایی بالا تری باشند. اما مشکلات ناشی از اضا فه کردن ذرات میلی و میکرومتری به سیالات از قبیل عدم پایداری، ته نشینی، ساییدگی وفرسایش مجاری ، کلوخه شدگی وا نسداد لوله ها، افت فشار و کاهش عمر قطعاتی مانند پمپ ها و یاتاقان ها ما نع از دستیابی به یک محصول تجاری می شد . پیشرفت های اخیر در دانش نانوتکنولوژی از یک دهه قبل امکان ایجاد نوع بسیار جدیدی ازسیالات به نام نانو سیالات[6] رافراهم کرده است.