واژه‌هاي کليدي: انتقال حرارت (Heat Transfer)، نانوسِيال (Nanofluid)، تراکم ناپذير(Incompressible) ، حفره (Cavity)، نسبت منظری (Aspect ratio) فصل اول:مقدمه 1-1- جابجايي طبيعي.. 11-2- نانوسيال.. 31-3-توليد نانوسيال.. 51-4- پارامترهاي انتقال حرارت در نانوسيالات.. 61-4-1-انباشتگي ذرات.. 61-4-2- نسبت حجمي ذرات نانو.. 71-4-3-حرکت براوني.. 81-4-4- ترمو فرسيس.. 81-4-5-اندازه نانوذرات.. 91-4-6- شکل نانوذرات.. 91-4-7- ضخامت لايه سيال بين ذرات نانو.. 101-4-8-دما.. 111-4-9- کاهش در ضخامت لايه مرزي گرمايي.. 121-5- ويژگيهاي تحقيق حاضر.. 12فصل دوم: روشهاي مدلسازي جريان نانوسيال و بررسي كارهاي انجام شدهدر اين زمينه2-1-روشهاي مدلسازي جريان نانوسيال.. 142-2-تعريف مسئله.. 172-3- فيزيک جريان آرام داخل حفره.. 182-4- کارهاي انجام شده در زمينه شبيهسازي جريان جابجايي طبيعي در نانوسيال 202-4-1- کارهاي انجام شده در زمينه خواص نانوسيال.. 202-4-1-1- روابط تئوري ارائه شده در زمينه ضريب رسانش حرارتي موثر نانوسيال 202-4-1-2- روابط تئوري ارائه شده در زمينه ويسكوزيته نانوسيال.. 212-4-1-3- كارهاي تجربي انجام شده در زمينه ضريب رسانش حرارتي موثر نانوسيال.. 212-4-1-4- كارهاي تجربي انجام شده در زمينه ويسكوزيته موثر نانوسيال 222-4-2- كارهاي انجام شده در زمينه انتقال حرارت در نانوسيال.. 232-4-2-1- كارهاي تجربي انجام شده در زمينه انتقال حرارت در نانوسيال 232-4-2-2- كارهاي عددي انجام شده در زمينهانتقال حرارت در نانوسيال در داخل حفرهي مربعي.. 24فصل سوم:معادلات حاكم و گسسته سازي آنها3-1-فرض پيوستگي.. 253-2-معادلات حاكم بر رژيم آرام سيال خالص.. 263-3- خواص نانوسيال.. 263-4- معادله بقاء جرم براي نانوسيال.. 273-5-معادله بقاء انرژي براي نانوسيال.. 283-6-معادله بقاء مومنتم براي نانوسيال (ناويراستوكس).. 293-7- معادلات مربوط به نانوسيال درتحقيق حاضر.. 303-8- شرايط مرزي و اوليه.. 313-9- بي بعد سازي معادلات و عبارتها.. 313-10-شرايط مرزي و اوليه بيبعد.. 333-11- گسسته سازي معادلات حاكم.. 333-12- الگوريتم سيمپل.. 343-13- شبکه بندي جابجا شده.. 38فصل چهارم: بررسي نتايج عددي4-1- تعيين شبکه مناسب.. 434-2- مقايسهي نتايج با كارهاي انجام شده در گذشته.. 444-3- نتايج نانوسيال.. 46فصل پنجم: نتيجهگيريفعاليتهاي پيشنهادي براي آينده.. 68مراجع.. 69شکل 1-2- افزايش انباشتگي نانوذرات با افزايــــش زمان براي مخلوط آب اکسيد مس(0.1=φ). الف)20 دقيقه ب)60 دقيـــقه ج) 70 دقيقه.. 7شکل 1-3- نمودار تغييرات ضريب رسانش حرارتي نسبت به نسبت حجمي ذرات نانو 8شکل 1-4- نمودار تغييرات ضريب رسانش حرارتي موثر نسبت به نسبت حجمي و اشکال متفاوت نانوذرات براي مخـــــــلوط آب-اکسيدآلومنيم.. 9شكل 1-5- نمودار تغييرات ضريب رسانش حرارتي موثر نسبت به ضخامت لايه سيال پيرامون نانوذرات.. 11شكل 1-6- نمودار تغييرات ضريب رسانش حرارتي موثر نسبت به دما براي مخلوط آلومينيوم- آب.. 11شکل 2-1- نمونهاي از حجم کنترل (ناحيه سايهدار) که در آن فرض پيوستگي برقرار است.. 15شكل 2-2- رژيمهاي جريان گاز بر پايهي نادسن... 17شكل 2-3- هندسهي مسئله.. 18شكل 2-4- ساختارهاي جريان در رژيم آرام.. 19شكل 3-1- حجم کنترل نانوسيال براي معادلهي پيوستگي.. 28شکل 3-2- حجم کنترل نانوسيال براي معادلهي بقاء انرژي.. 28شکل 3-3- نماي کلي عملکرد الگوريتم سيمپل.. 37شکل 3-4- يک صفحه شطرنجي با توزيع فشار غير يکنواخت.. 38شکل 3-5- طرز قرار گرفتن گرهها براي جريان دو بعدي.. 40شکل 3-6-سيستم مکانها بر اساس شماره گذاري خطوط شبکه و وجوه سلول 41شکل 4-1- پروفيلهاي سرعت و دما بيبعد در برش مياني حفره مربعي بـــــــراي مشهاي مختلف (6.2=Pr،106 Ra = و 0.05= φ)43شکل 4-2- توزيــــــع ناسلت متـــــوسط روي ديوارهي گــــــترم در نسبت منظریهای مختلف ( 0.71 =Pr و0= φ الف) 105 Ra =، ب) 106-107 Ra =.. 45شکل 4-3- مقايسه پروفيل دما در برش مياني حفره مربعي(6.2=Pr ، 105- 104=G و 0.05= φ )46شکل 4-4- پروفيلهاي سرعت و دما بيبعد در برش مياني حفره مربعي.. 47شکل 4-5- مقايسه خطوط جريان بين سيال خالص و نانوسيال آب در نسبت منظریهاي مختلف و0.05= φ. .. ......................................... ... 49شکل 4-6- مقايسه خطوط همدما بين سيال خالص و نانوسيال آب در0.05= φ و نسبت منظریهاي مختلف.. . ........................................... 50شکل 4-7- مقايسه تغييرات سرعت ماکزيمم افقي در برش مياني حفره بين سيالات خالص و نانوسيالات آب و اتيلن گليــکول در 0.05= φ نسبت به تغييرات نسبت منظری.. 51شکل 4-8- مقايـــــسه تغييرات سرعت ماکزيمم افقي در برش مياني حفره بين نانوسيالات آب و اتيلن گليــــکول در0.05= φ نسبت به تغييرات نسبت منظری 52شکل 4-9- مقايسه تغييرات سرعت ماکزيمم عمودي در برش مياني حفره بين سيالات و نانوسيالات آب و اتيلن گليـــکول در 0.05= φ نسبت به تغييرات نسبت منظری.. 53شكل 4-10- مقايسه تغييرات سرعت ماکزيمم عمودي در برش مياني حفره بين نانوسيالات آب و اتيلن گليــــکول در0.05= φ نسبت به تغييرات نسبت منظری 53شکل 4-11- تغييرات ناسلت ماکزيمم براي نانوسيالات آب و اتيلن گليـکول نسبت به تغييرات نسبت منظری در نسبت حجمي و رايليهاي متفاوت.. 55شکل 4-12-. تغييرات ناسلت ماکزيمم براي سيال خالص و نانوسيال آب و اتيلن گليکول نسبت به تغييرات نسبت منظری.. 56شکل 4-13- تغييرات ناسلت متوسط نانوسيالات آب و اتيلن گليـــــــکول نسبت به تغييرات نسبت منظری در نسبت حجمي و نسبت منظریهاي محتلف... 58شکل 4-14- تغييرات ناسلت متوسط نانوسيالات آب و اتيلن گليـــــــکول نسبت به تغييرات نسبت منظری در نسبت حجمي و رايليهاي محتلف.. 59شکل 4-15- تغيـــيرات ناسلت موضعي نانوسيال آب روي ديواره گرم و سرد در هر نسبت منظری و 106=Ra براي نسبتهاي حجمي متفاوت.. 61شکل 4-16- مقايسهي تغييرات ناسلت متوسط نانوسيال در 0.1= φ با سيال پايهي آب و ذرات نانو مختلف نسبت به تغيـيـــرات نسبت منظری.. 62شکل 4-17- پروفيلهاي سرعت و دماي بيبعد در برش مياني حفره مربعي براي قطرهاي مختلف.. 63 جدول(4-1)- خواص ترموفيزيکي سيالات و نانوذرات............... 43جدول(4-2)- مقايسهي نتايج تحقيق حاضر و نتايج مرجع.......... 44 جدول(4-3)- مقادير ناسلت متوسط نانوسيال با سيال پايهي آب .. 64 جدول(4-4)- مقادير ناسلت متوسط نانوسيال با سيال پايهي اتيلن گليکول 65 ليست علائم و اختصارات Lعرض کويتيHارتفاع کويتيARنسبت منظری ( (L/Hظرفيت گرمايي ويژهقطر ذرات نانوkضريب هدايت حرارتيNuعدد ناسلتgشتاب گرانشي زمينPrعدد پرنتلRaعدد ريليGrعدد گراشفTدماSسطحPفشارuمولفه سرعت افقيvمولفه سرعت عموديترم هاي چشمه معادله مومنتومTcدماي ديواره گرمThدماي ديواره سردUoسرعت مرجعVحجمxمولفه طول افقيx*مولفه طول افقي بي بعدyمولفه طول عموديY*مولفه طول عمودي بي بعدEANافزايش ناسلت متوسطVFنسبت حجمي ذرات نانو به سيالنسبت حجمي ذرات نانو به سيالaنفوذ حرارتيbنسبت انبساط حجميmويسکوزيته ديناميکي مولکوليnويسکوزيته سينماتيکيrچگاليfسيالsجامدavgمتوسطmaxماکزيمم*پارامتر بيبعد فصل اولمقدمههدف از انجام اين تحقيق شبيهسازي جريان جابجايي طبيعي نانوسيال است. بر اين اساس و به منظور آشنايي بيشتر با ويژگيهاي اين تحقيق، نياز به درک بهتر مفاهيم مطرح شده مثل جابجايي طبيعي، خواص نانوسيال و جريان نانوسيال است. اين فصل هر يک از مفاهيم فوق را بهطور جداگانه معرفي کرده و ويژگيها و پيچيدگيهاي آنها را به شکل اجمالي مطرح مينمايد.يکي از مسايل بسيار مهم در مکانيک سيالات حرکت سيالات در طبيعت و صنعت است که مهندسان همهروزه با آن سروکار دارند. برخي از جريانات حاصل از جابجايي طبيعي[1] ناشي از نيروي ارشميدس است. در مبحث انتقال حرارت صفت "طبيعي"، به جريانهايي اختصاص مييابد که نتيجه اختلاف چگالي جرمي هستند، درحاليکه وقتي جريان در اثر گراديان فشار و يا شرايط مرزي سرعت اتفاق ميافتد، جابجايي اجباري[2] اصطلاح مناسبتري است. بعضي از نويسندگان و محققين، بين جابجايي طبيعي داخلي (در محوطه بسته) و خارجي (اطراف اشيا) دچار اشتباه ميگردند. الگوهاي رفتاري اين دو متفاوت از هم بوده و دومي جابجايي آزاد[3] نيز ناميده ميشود. اختلاف چگالي در اثر اختلاف فاز، اختلاف غلظت و يا دما ايجاد ميشود. حبابهاي بخار در آب نمونهاي از حالت اول هستند. قانون ارشميدس بيان ميکند که نيروي خالص به طرف بالا که به حباب وارد ميشود، برابر است با شتاب جاذبه ضرب در اختلاف بين جرم جابجا شده از آب و جرم بخار حباب، که اين نيروي شناوری باعث بالا رفتن حباب ميشود. حرکتهاي نفوذي نمونهاي از حالت دوم هستند که در آن، طبيعت سعي ميکند غلظت محلول را در جهت ماکزيمم کردن آنتروپي يکسان کند. مسألهاي که در پيش روست، مثالي براي حالت سوم است که از اين به بعد به بررسي آن پرداخته ميشود. به عنوان بخشي از کاربردهاي صنعتي و مهندسي و نمونههاي عملي اين جريان، ميتوان به موارد زير اشاره کرد:جابجايي هوا و تهويه در داخل بناها و ساختمانها، تانکرهاي ذخيره مايعات، ساختار سلولهاي خورشيدي، خنک کاري تجهيزات الکترونيکي، انتقال حرارت طي رشد کريستالها و جريان بين ديوارههاي رآکتور هستهاي.ميدانيم وقتي قسمتي از سيال نسبت به قسمت ديگر گرمتر باشد، منبسط شده و چگالي آن کم ميشود. به همين دليل است که گردابههاي حرارتي در اتمسفر و اقيانوسها ايجاد ميگردند و يا بالنهايي که با هواي گرم پر ميشوند، بالا ميروند. جابجاييهاي طبيعي به دو دسته تقسيم ميگردند که هر کدام با الگوهاي رفتاري خاصي مشخص ميشوند. اولين دسته که "گرمايش از سطح زيرين"[4] نام دارد، در اثر حرارت دادن يک صفحه زيرين که سيال سردتري در روي آن در جريان است، ايجاد ميگردد. مشخصه اصلي اين دسته، وجود ساختارهاي بزرگ و منسجم در سيال مانند پلومها[5]، سلولهاي حرارتي[6] و سلولهاي رايلي-بنارد[7] است. دومين دسته به "گرمايش از کنارهها"[8] معروفند که صفحه عمودي گرم سادهترين مثال اين دسته به شمار ميرود. مشخصه اصلي اين دسته هم گراديانهاي شديد دما و سرعت در لايههاي مرزي است.امروزه، تحقيقات مکانيک سيالاتدر اين خصوص به دو زمينه مطالعاتي محدود ميشود. زمينه مطالعاتي اول اندازهگيري تجربي دادههاي جريان و ديگري، شبيه سازي عددي معادلات رياضي حاکم بر جريان است. مطالعه در هر کدام از اين زمينهها مشکلات مخصوص به خود را دارد. کار تجربي از نااطمينانيهايي که در شرايط مرزي وجود دارد و همچنين مشکل اندازه واقعي مدل رنج ميبرد و معمولا پر هزينهتر از روش عددي است. هر چند براي اثبات درستي روش عددي و بدست آوردن فرضيات و ثوابت تجربي، روش تجربي همواره لازم است. اما اگر يک مدل عددي براي حالت خاصي به کمک دادههاي تجربي تأييد شود، نتايج آن مدل براي حالتهاي مشابه نيز قابل استناد است، بدون اينکه براي آن حالتها نياز به هزينه کار تجربي باشد و اين نقطه قوت شبيه سازي عددي است.