واژه‌هاي کليدي: انتقال حرارت (Heat Transfer)، نانوسِيال (Nanofluid)، تراکم ناپذير(Incompressible) ، حفره (Cavity)، نسبت منظری (Aspect Ratio) فصل اول. 1مقدمه. 11-1 مقدمه. 11-3 نانو تكنولوژي. 41-3-1 چرا «نانو» تكنولوژي؟. 51-4 تاريخچه نانو فناوري. 51-5 كاربرد نانو سيالات. 61-6 روشهاي ذخيره انرژي. 71-6-1 ذخيره انرژي به صورت مکانيکي. 71-6-2 ذخيره الکتريکي. 71-6-3-1 ذخيره گرماي محسوس. 81-6-3-2 ذخيره گرماي نهان. 81-6-3-3 ذخيره انرژي ترموشيميايي. 81-7ويژگيهاي سيستم ذخيره نهان. 101-8 ويژگيهاي مواد تغيير فاز دهنده. 101-10-1-1 پارافينها. 121-10-1-2 غير پارافينها. 131-10-2 مواد تغيير فاز دهنده غيرآلي. 141-10-2-1 هيدراتهاي نمک. 141-10-2-2 فلزات. 151-10-3 اوتکتيکها. 151-11 کپسوله کردن مواد تغيير فاز دهنده. 151-12 سيستم‌هاي ذخيره انرژي حرارتي. 171-12-1 سيستم‌هاي گرمايش آب خورشيدي. 171-13 کاربردهايمواد تغيير فاز دهنده در ساختمان. 171-14 کاربرد مواد تغيير فاز دهنده در ديگر زمينه ها 181-15 تکنیکهای افزایش کارایی سیستم ذخیرهساز انرژی 191-15-1 استفاده از سطوح گسترش یافته. 191-15-2 استفاده از شبکهای از PCMها در سیستم. 201-15-3 افزایش هدایت حرارتی PCM.. 211-15-4 میکروکپسوله کردن PCM.. 23فصل دوم. 25پیشینه موضوع و تعریف مسئله. 252-1- مقدمه. 252-2- روشهاي مدلسازي جريان نانوسيال. 252-3- منطق وجودي نانو سيالات. 282-4- پارامترهاي انتقال حرارت در نانوسيالات. 312-4-1- انباشتگي ذرات. 312-4-2- نسبت حجمي ذرات نانو. 322-4-3- حرکت براوني. 332-4-4- ترموفورسيس. 332-4-5- اندازه نانوذرات. 342-4-6- شکل نانوذرات. 342-4-7- ضخامت لايه سيال بين ذرات نانو. 352-4-8- دما. 362-5- انواع نانو ذرات. 362-5-1- نانو سيالات سراميكي. 362-5-2- نانو سيالات فلزي. 372-5-3- نانو سيالات، حاوي نانو لوله هاي كربني و پليمري. 382-6- نظريه هايي بر نانو سيالات. 392-6-1- روابط تئوري ارائه شده در زمينه ضريب رسانش حرارتي موثرنانوسيال. 392-6-2- کارهاي تجربي انجام شده در زمينه ضريب رسانش حرارتي موثر نانوسيال. 432-6-3- کارهاي تجربي انجام شده در زمينه ويسکوزيته موثر نانوسيال 442-7- کارهاي تجربي انجام شده در زمينهي انتقال حرارت در نانوسيال 442-8- کارهاي عددي انجام شده در زمينهي انتقال حرارت در نانوسيال درداخل حفره‌ی مربعي. 452-9- کارهاي انجام شده در زمينهي تغییر فاز ماده. 452-10- تعریف مسئله. 48فصل سوم. 49معادلات حاکم و روشهاي حل. 493-1 فرض پيوستگي. 493-2- معادلات حاکم بر رژيم آرام سيال خالص. 503-3- مدل بوزينسک. 513-4- خواص نانوسيال. 513-5 - معادلات حاکم بر تحقیق حاضر. 523-6- شرايط مرزي و اوليه. 533-7- روش بررسی تغییر فاز در این پژوهش. 543-7-1 تغيير فاز با مرز مجزا. 543-7-2 تغيير فاز آلياژها. 543-7-3 تغيير فاز پيوسته. 543-8- معادلات حاکم بر روش آنتالپی. 563-8-1 معادله حاكم بر انتقال حرارت بر پايه روش آنتالپي. 563-8-2 معادلات نهايي حاكم بر انتقال حرارت بر پايه روش آنتالپي تعميم يافته. 583-9 مروري بر روشهاي عددي. 613-9-1 روش حل تفکيکي. 623-9-2 روش حل پيوسته. 643-9-3 خطي سازي: روش ضمني و روش صريح. 653-9-4 انتخاب حل کننده. 673-10 خطي سازي. 693-10-1 روش بالادست مرتبه اول. 703-10-2 روش بالادست توان-پيرو. 703-10-3 روش بالادست مرتبه دوم. 723-10-4 روش QUICK. 733-11 شکل خطي شده معادله گسسته شده. 743-12 مادون رهايي. 753-13 حل کننده تفکيکي. 753-13-1 گسسته سازي معادله ممنتوم. 753-13-1-1 روش درونيابي فشار. 763-13-2 گسسته سازي معادله پيوستگي. 774-13-3 پيوند فشار- سرعت. 783-13-3-1 SIMPLE. 793-13-3-2 SIMPLEC. 803-13-3-3 PISO.. 803-14 انتخاب روش گسسته سازي. 813-14-1 مرتبه اول و مرتبه دوم. 813-14-2 روش هاي توان- پيرو و QUICK. 823-14-3 انتخاب روش درونيابي فشار. 823-15 انتخاب روش پيوند فشار- سرعت. 833-15-1 SIMPLE و SIMPLEC. 833-15-2 PISO.. 843-17 مدلسازيهاي وابسته به زمان. 843-17-1 گسسته سازي وابسته به زمان. 853-17-2 انتگرال گيري زماني ضمني. 853-17-3 انتگرالگيري زماني صريح. 863-17-4 انتخاب اندازه بازه زماني. 873-18 انتخاب روشهاي حل. 873-19 شبکه بندی و گام زمانی. 893-19-1 آزمون عدم وابستگی نتایج به تعداد نقاط شبکه و گام زمانی 893-20- مراحل حل مسئله. 91فصل چهارم. 92بررسي نتايج عددي. 924-1 اعتبار سنجي مسئله. 934-2 اثر افزودن نانو ذرات. 984-3 بررسی اثر افزودن ذرات نانو در مدلهای گفته شده در قسمت اعتبار سنجی. 114فصل پنجم. 1245-1 نتیجه گیری. 1245-2 فعاليت های پيشنهادی برای ادامه کار................................................................................... 126مراجع. 127 شکل 1-1 ديدگاه کلي ذخيره انرژي حرارتي.. 9شکل 1-2 دستهبندي مواد تغيير فاز دهنده.. 12شکل1-3- سیستمهای حاوی چند PCM... 21شکل1-4- ساختارهای فلزی مورد استفاده در سیستم ذخیرهسازی انرژی 23شکل1-5: نمونهای از میکروکپسوله PCM، (a) روش اسپری خشک، (b) روش تودهای 24شکل 2-2- رژيمهاي جريان گاز بر پايهي عدد نادسن... 28شکل 2-3- نمودار تغييرات ضريب رسانش حرارتي نسبت به زمان براي مخلوط آب اکسيد مس [8]... 32شکل 2-4- افزايش انباشتگي نانوذرات باافزايش زمان براي مخلوط آب اکسيدمس(1/0=f) الف) 20 دقيقه ب) 60 دقيقه ج) 70 دقيقه [8].. 32شکل 2-5- نمودار تغييرات ضريب رسانش حرارتي نسبت به نسبت حجمي ذرات نانو[10].. 33شکل 2-6- نمودار تغييرات ضريب رسانش حرارتي موثر نسبت به نسبت حجمي و اشکال متفاوت نانوذرات براي مخلوط آب - اکسيد آلومینيم [14]. 35شکل 2-7- نمودار تغييرات ضريب رسانش حرارتي موثر نسبت به ضخامت لايه سيال پيرامون نانوذرات [16 و 17]... 36شکل 2-8- نمودار تغييرات ضريب رسانش حرارتي موثر نسبت به دما براي مخلوط آلومينيوم–آب [12].. 36شكل 2-9- افزايش رسانايي گرمايي K بخاطر افزايش نسبت حجمي از توده هاي با رسانايي بالا. نمودار شماتيك به ترتيب موارد زير را نشان مي دهد. (i) ساختار قرارگيري بصورت فشرده Fcc از ذرات (ii) تركيب قرارگيري مكعبي ساده (iii) ساختار بي نظم ذرات كه در تماس فيزيكي با هم قرار دارند (iv) توده از ذرات كه بوسيله لايه نازكي از سيالي كه اجازه جريان گرماي سريع در ميان ذرات را مي دهد از يكديگر جدا شده اند... 41شکل 2-10- شکل هندسه مورد نظر.. 49شکل 3-1: بررسي انتقال حرارت در هندسه مورد نظر.. 57شکل 3-2- نماي کلي مراحل حلکننده تفکيکي.. 64شکل 3-3-نماي کلي حل کننده پيوسته.. 65شکل 3-4- حجم کنترل استفاده شده براي نمايش گسستهسازي.. 70شکل 3-5- تغيير متغير بين x=0 و x=L (معادله 4-21).. 72شکل 3-6- حجم کنترل يک بعدي.. 74شکل 3-7- زمان لازم برای انجماد کامل سیال در گراشف 105 و نسبت حجمی 1/0 براي مشهاي مختلف.. 89شکل 3-8- زمان لازم برای انجماد کامل سیال در گراشف 105 و نسبت حجمی 1/0 براي گام های زمانی مختلف.. 90شکل 4-1- توزيع ناسلت موضعی روي ديوارهي گرم 0.71=و 0=φ الف) 105= ، ب) 106 =. 94ج).. 107 =]63[94شکل4-2- مقايسه پروفيل دما در برش مياني حفره مربعي (2/6= ، 105= و 05/0= φ ).. 95شکل 4-3- مقایسه زمان لازم برای انجماد سیال در دمای 96شکل 4-4- پروفیل دما در خط مرکزی برای ارتفاع 20. 97شکل 4-5- زمان لازم برای انجماد کامل سیال در سیال خالص در مقایسه با افزودن ذرات نانو را در عدد گراشف 10597شکل 4-6- پروفيلهاي الف) دما و ب) سرعت در برش مياني حفره مربعي 98شکل 4-7- تغييرات ناسلت موضعي نانوسيال آب روي ديواره گرم در نسبت منظری (L/H=1) و105= براي نسبتهاي حجمي متفاوت.. 99شکل 4-8-الف- کانتور برای درصد حجمی )0% ،10% و20% ( و گراشف 105 (زمان برحسب دقیقه) در صفحه 005/0z=. 101شکل 4-8-ب- کانتور برای درصد حجمی )0% ،10% و20% ( و گراشف 106 (زمان برحسب دقیقه) در صفحه 005/0 z=. 103شکل 4-9- زمان لازم برای انجماد کامل سیال در سیال خالص در مقایسه با افزودن ذرات نانو را در سه عدد گراشف الف) 105 ، ب) 106 و ج) 107. 104شکل 4-10- مقایسه زمان لازم برای انجماد کامل سیال در سیال خالص و نسبت حجمی 1/0φ= در سه گراشف 105، 106 و 107105شکل 4-11- مدت زمان از بین رفتن اثر انتقال حرارت جابجايي در سیال خالص در گراشف 105105شکل 4-12- مقایسه مدت زمان ناچیز شدن اثر انتقال حرارت جابجايي در سیال خالص و نانو سیال با در صد حجمی ذرات نانو 1/0φ= و 2/0φ= در گراشف 105106شکل 4-13- مقایسه اثر انتقال حرارت جابجايي بر ناحیه خمیری شکل در سه گراشف 105، 106 و 107106شکل 4-14- خطوط جریان در 10ثانیه نخست فرایند انجماد در گراشف105 با در صد حجمی ذرات نانو 20% در صفحه 005/0=z. 108شکل4-15- مقایسه خطوط جریان در زمان 0 و 10 ثانیه فرایند انجماد در گراشف 105 ، 106 و 107 با در صد حجمی ذرات نانو 20%.. 109شکل 4-16- توزیع درجه حرارت را بر روی خط مرکزی حفره مربعی در دو زمان الف)5 دقیقه و ب) 12 دقیقه در گراشف 105. 110شکل 4-17- مقایسه مدت زمان لازم برای انجماد کامل سیال با اختلاف در جه حرارت بین دو دیوار چپ و راست.. 110شکل 4-18- زمان لازم برای انجماد کامل سیال در سیال خالص در مقایسه با افزودن ذرات نانو را در گراشف 105 برای الف) C° 20 =DT ب C° 30 =DT ج) C° 50 =DT د) C° 80 =DT. 111شکل 4-19- مقايسه خطوط همدما بين سيال خالص و نانوسيال آب در 05/0= φ و نسبت منظریهاي مختلف.. 112شکل 4-20- مقایسه مدت زمان لازم برای انجماد کامل سیال الف) برای نسبت های منـــظریهاي مختلف ب) برای نسبت های منـــظریهاي 5/0 برای گراشف 105 و نسبت حجمی مختلف.. 113شکل 4-21- مقایسه مدت زمان لازم برای انجماد کامل سیال در عدد گراشف 105 با سيال پايهي آب و ذرات نانو مختلف.. 114شکل 4-22- حفره مربعی در پژوهش ....... 114شکل 4-23- کسر حجمی ماده تغییر فاز یافته در دما و درصد حجمی محتلف از نانو ذرات.. 116شکل 4-24- مرز ناحیه تغییر فاز در درجه حرارت مختلف دیوار چپ و زمان الف) 10 ب) 50. 116شکل 4-25- میدان سرعت نانو سیال با درصد حجمی مختلف و در زمانهای مختلف 118شکل 4-26- خطوط جریان در 10ثانیه نخست فرایند انجماد برای دیوار چپ با و در صد حجمی ذرات نانو 20%.. 119شکل 4-27- منحنی توزیع دما بر خط مرکزی افقی حفره در دمای مختلف دیواره چپ و درصد حجمی مختلف از نانو ذرات.. 120شکل 4-28- حفره مربعی در پژوهش ........ 120ج).. 122شکل 4-29- منحنی توزیع دما بر خط مرکزی افقی حفره در دمای مختلف دیواره چپ و درصد حجمی مختلف از نانو ذرات الف) ب)ج) 122شکل 4-30- کسر حجمی ماده تغییر فاز یافته برای درصد حجمی محتلف از نانو ذرات و ارتفاع مختلف.. 123الف) ب)ج) .................. 123جدول 1-1 نقطه ذوب و گرماي نهان پارافينها.. 13جدول 1-2- نقطه ذوب و گرماي نهانغير پارافينها.. 14جدول 1-3- نقطه ذوب و گرماي نهان هيدراتهاي نمک.. 16جدول 1-4- نقطه ذوب و گرماي نهان فلزات.. 17جدول 1-5- نقطه ذوب و گرماي نهان اوتکتيکها.. 17جدول 3-1 الگوريتمهاي حل انتخاب شده.. 88جدول 4-1-خواص ترموفيزيکي سيالات و نانوذرات.. 92جدول 4-2 خواص سیال پایه، ذرات مس و نانوسیال در نسبت حجمی مختلف 93جدول 4-3 مقادير ناسلت متوسط برای عدد رایلی مختلف.. 94جدول 4-4 خواص سیال پایه، ذرات مس و نانوسیال در نسبت حجمی 2/0، 1/0، 0= φ 115جدول 4-5- خواص سیال پایه، ذرات مس و نانوسیال در نسبت حجمی 2/0، 1/0، 0= φ.. 121 ليست علائم و اختصارات Hارتفاع حفرهTدماTcدماي ديواره سردThدماي ديواره گرمVحجمSسطحKضريب هدايت حرارتيksضریب هدایت حرارتی ذره نانوklضریب هدایت حرارتی ماده تغییر فاز دهندهLطول حفرهظرفيت گرمايي ويژهPفشارقطر ذرات نانوPrعدد پرانتلPeعدد پکلتRaعدد رایلیReعدد رینولدزGrعدد گراشفKnعدد نادسنNuعدد ناسلتLگرمای نهانUمولفه سرعت افقي در راستای xVمولفه سرعت عموديدر راستای yVFنسبت حجمي ذرات نانو به سيالARنسبت منظری ( (L/Hrچگاليbنسبت انبساط حجمينسبت حجمي ذرات نانو به سيالaنفوذ حرارتيnويسکوزيته سينماتيکيmويسکوزيته ديناميکي مولکوليSجامدLسیال فصل اولمقدمه 1-1 مقدمهانتقال حرارت به همراه تغییر فاز در بسیاری از پدیده‌های فیزیکی درکاربردهای مختلف صنعتی و غیرصنعتی اتفاق می‌افتدو برخی از پدیده‌های طبیعی در این زمینه عبارتند از: فرایند ذوب شدن برف، یخ زدن آب دریاچه‌ها و سوختن شمع. بعضی از پروسه‌های صنعتی که همراه با تغییر فاز هستند عبارتند از: جوشکاری و ریخته‌گری.فرآیند انتقال حرارت به همراه تغییر فاز به خاطر کارهای انجام شده توسط استفان (Stefan) در سال 1889 به مسأله استفان معروف است.در میان کاربردهای مربوط به فرآیند تغییر فاز، واحدهای ذخیره‌کننده انرژی حرارتی دارای اهمیت فراوان می باشند چرا که در اکثر پدیده‌های فیزیکی که به همراه تغییر فاز هستند، این فرآیند به صورت ناخواسته انجام می‌گیرد. مثلاً در صنعت ریخته‌گری اگر گرمای نهان آلیاژ کمتر باشد طبیعتاً انرژی، هزینه و زمان کمتری برای تولید نیاز خواهیم داشت ولی در واحدهای ذخیره‌کننده انرژی هدف استفاده از گرمای نهان ذوب در طول تغییر فاز می‌باشد به همین جهت در سال‌های اخیر واحدهای ذخیره‌کننده انرژی مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته است. ظرفیت بالای ذخیرهسازی انرژی حرارتیباعث می شود تا امکان ساخت ذخیره‌کننده‌های کوچک فراهم گردد و بتوان آن ها را به صورت فشرده تولید کرد این ویژگی باعث می‌شود تا استفاده از واحدهای ذخیره‌کننده انرژی در کاربردهای تجارتی که معمولاً با محدودیت ابعادی مواجهه هستند، استفاده فراوانی داشته باشد به عنوان نمونه می‌توان از سیستم های ذخیره کننده انرژی همراه با تغییر فاز جهت تأمین انرژی حرارتی در مناطق مسکونی استفاده کرد.برای بیان دلیل استفاده از پروسه تغییر فاز جهت تامین انرژی می‌توان به این نکته اشاره کرد که یک کیلوگرم بتون می‌تواند حدود kJ/kg k 1 انرژی ذخیره کند در حالی که یک کیلوگرم Cacl2-6H2O مقدار 190 کیلو ژول انرژی را در طول تغییر فاز می توانند آزاد یا جذب نماید.دانستن عوامل و پارامترهای موثر بر کارایی ذخیره‌کننده و توانایی تعیین میزان تاثیر این عوامل بر کارایی سیستم باعث می‌شود تا بتوان عمل ذخیرهسازی و تخلیه انرژی را بهینه سازی نمود .امروزه با توجه به کمبود و رو به پایان بودن منابع انرژی فسیلی و مسئله آلودگی هوای ناشی از مصرف این مواد برای تامین انرژی، موضوع استفاده از انرژیهای جایگزین اهمیت بیشتری یافته است. در حال حاضر نفت، گاز و زغال سنگ 80 درصد از انرژي مصرفي جهان را تامين مي‌کنند. مصرف انرژي در پنجاه سال گذشته بيشتر از مصرف انرژي در دو قرن پيش از آن بوده است. سازمان اطلاعاتانرژي آمريکاپيش‌بيني کرده است، مصرف انرژي جهان تا سال 2030درحدود 57 درصد افزايش خواهد یافت. با توجه به معضلات سوختهاي فسيلي (آلودگي محيط زيست، منابع محدود و پايان‌پذير، تجديد ناپذيري و تأثير مستقيم سياست بر آن) دنيا به انرژي‌هاي نو شامل خورشيد، باد (برايماشينهاي باديامروزي)، بيو انرژي، زمين گرمايی،هيدروژن، انرژيهسته‌اي و ... تمايل نشان داده است.یکی از انرژی های نو انرژي خورشيدي می باشد که مهمترين موضوع در انرژي خورشيدي، جذب و ذخيره آن است. جذب انرژي خورشيدي توسط کلکتورهاي مختلف براي اهداف متفاوتي از جمله: توليد برق، گرمايش آب، گرمايش فضا و ... صورت مي‌گيرد. فراواني و ارزان بودن انرژي در بعضي از ساعات شبانه روز از دلايل مهم ذخيره انرژي است. انرژي خورشيدي در روز به وفور يافت مي‌شود ولي يکي از اشکالات مهم اين انرژي عدم دسترسي به آن در شب مي‌باشد که به کمک ذخيره انرژي مي‌توان از اين انرژي در ساعات نبود خورشيد نيز بهره برد. در بعضي کشورها مثل چين که بيشتر از انرژي الکتريکي براي گرمايش منازل استفاده مي‌شود، با توجه به ارزان بودن انرژي الکتريکي در روز و گران بودن تعرفه در شب حدود 5/1 برابر (به دليل ساعات اوج مصرف )، ذخيره انرژي از راهکارهاي مهم به شمار مي‌آيد.ذخيره انرژي به شکلهاي مکانيکي، الکتريکي و حرارتي صورت مي‌گيرد. ذخيره انرژي حرارتي به شکل محسوس (از طريق گرماي ويژه موادي مانند آب، زمين و ...) و نهان (از طريق تغيير فاز موادي مانند پارافين، هيدراتهاي نمک و ...) انجام مي‌گيرد، که در ادامه به بررسی انواع ذخيره های انرژي می پردازیم.استفاده از ذرات نانو (با قطر کمتر از nm 50) و تأثیر ذرات نانو در مواد تغییر فاز دهنده (NEPCM[1]) دریچه ای جدید برای پیشرفت تکنولوژی نوین در ترکیب مواد، بیو تکنولوژی، طراحی ابزار میکرو فلویدیک و … پیش روی محققین گشوده است.