کلیدواژه‌ها: نانوسیال، سیال غیرنیوتنی، جریان درهم، عدد ناسلت فهرست مطالبعنوانصفحهفهرست مطالبثفهرست جدولهاحفهرست شکلهادفهرست علائمرفصل اول- مقدمه و کلیات تحقیق11-1 میکروکانالها21-2 تغییرخاصیت رئولوژیکی سیال31-3 مواد افزودنی به مایعات31-4 میکروکانالها41-4-1 چکیده41-4-2 تاریخچهمیکروکانالها41-4-3 معرفی میکروکانالها51-4-4 طبقه‌بندی میکروکانالهاو مینیکانالها61-4-5 مزایا و چالشهای میکروکانالها71-4-6 روشهای ساخت میکروکانالها71-4-6-1 فناوری متداول91-4-6-1-1 تغییر شکل میکرو91-4-6-1-2 اره کردن میکرو (برش‌کاری میکرو)91-4-6-2 تکنولوژی مدرن101-4-6-2-1 MEMS (سیستم میکرو الکترومکانیک)101-4-6-2-2 ماشین‌کاری میکرو لیزر101-4-7 جریان تک فاز در میکروکانالها101-4-8 روابط افت فشار111-4-9 روابط انتقال حرارت131-4-9-1 جریان مغشوش131-4-10 کاربردهای میکروکانالها131-5 سیالات غیر نیوتنی141-5-1 طبقه‌بندی سيالات غیر نیوتنی141-5-1-1 سيالات غیر نیوتنی مستقل از زمان151-5-1-2 مدل قاعده توانی161-5-1-3 مدل کراس171-5-1-4 مدل کارئو171-5-1-5 مدل الیس181-5-1-6 سيالات غير نيوتني تابع زمان181-5-1-7 سيالات ويسكوالاستيك191-6 نانوسیالات201-6-1 مفهوم نانوسیالات201-6-2 مزایای نهان نانوسیال221-6-3 تهیه نانوسیال241-6-4 خواص ترموفیزیکی نانوسیالات251-6-4-1 چگالی261-6-4-2 گرمای ویژه261-6-4-3 لزجت261-6-4-4 ضریب هدایت حرارتی281-6-5 فناوری نانو341-6-6 تولید نانوذرات351-6-6-1 فرآیندهای حالت بخار361-6-6-2 فرآیند حالت مایع و حالت جامد371-6-6-3 تولید نانوذرات با استفاده از روش سیال فوق بحرانی381-6-7 نانولولهها391-6-8 انتقال حرارت جابهجایی در نانوسیالات391-6-8-1 جابهجایی اجباری در نانوسیالات401-6-8-2 مدل‌های ریاضی تعیین ضریب انتقال حرارت جابهجایی نانوسیالات411-6-8-3 انتقال حرارت جابهجایی طبیعی451- 7 اغتشاش451-7-1 مقدمه451-7-2 ویژگیهای جریان اغتشاشی سیالات471-7-3 مدل‌های اغتشاشی481-7-3-1 مدل k-e481-7-3-2 استفاده از تابع جریان در مدل k-e برای اعداد رینولدز بالا491-7-3-3 مدل k-e در اعداد رینولدز پایین501-7-3-4 مدل RNG501-7-3-5 مدل k-w511-7-3-6 مدل تنش رینولدزی (RSM)52فصل دوم- مطالعات آزمایشگاهی، عددی وتئوریک532-1 مقدمه542-2مطالعات آزمایشگاهی542-3 مطالعات تئوریک572-4 مطالعات عددی61فصل سوم- روش تحقیق643-1 مقدمه653-2 تشریح مسئله653-3 تعیین خواص ترموفیزیکی نانوسیال673-4 شبکه‌بندی و تعیین شرایط مرزی69فصل چهارم- نتایج704-1 محاسبه خواص ترموفیزیکی نانوسیال714-2 محاسبه ضریب انتقال حرارت جابهجایی و عدد ناسلت724-3 اعتبار سنجی754-4 محاسبه ضریب انتقال حرارت جابهجایی و عدد ناسلت سیال غیرنیوتنی پایه764-5 تأثیر غلظت نانوذرات بر ضریب انتقال حرارت جابهجایی و عدد ناسلت784-6 تأثیر اندازه نانوذرات بر ضریب انتقال حرارت جابهجایی834-7 تأثیر عدد رینولدز بر ضریب انتقال حرارت جابهجایی نانوسیال و عدد ناسلت86فصل پنجم- نتیجه‌گیری و پیشنهادات905-1 نتیجه‌گیری915-2 پیشنهادات91منابع و مآخذ93Abstract100فهرست جدولهاعنوانصفحهجدول 1-1 روشهای ساخت میکروکانالها8جدول 1-2خلاصه‌ای از برخی از روشهای ساخت میکروکانالها8جدول 1-3مقادیر مشخصه جریان آرام در کانال‌های مدور و غیر مدور12جدول 1-4مدل‌های لزجت برای نانوسیالات28جدول 1-5 تعیین متغیرb برای استفاده در رابطه (1-36)31جدول 1-6تاریخچه مختصر از شخصیتها و نظریات تأثیرگذار46جدول 3-1رینولدز بحرانی در میکروکانالهای مدور66جدول 4-1 خواص ترموفیزیکی محاسبه شده برای نانوسیال موردتحقیق71جدول 4-2ضریب و اندیس قاعده توانی در غلظت‌های موردنظر72جدول 4-3مقایسه عدد ناسلت میانگین سیال نیوتنی آب به دو روش در رینولدزهای متفاوت76جدول 4-4مقایسه مقادیر ضریب انتقال حرارت جابهجایی میانگین نانوسیالات حاوی ذرات اکسید مس به اندازه 30 نانومتر78جدول 4-5 مقایسه مقادیر ضریب انتقال حرارت جابهجایی میانگین نانوسیالات حاوی ذرات اکسید مس به اندازه 60 نانومتر79جدول 4-6 مقایسه مقادیر ضریب انتقال حرارت جابهجایی میانگین نانوسیالات حاوی ذرات اکسید مس به اندازه 90 نانومتر80 فهرست شکلهاعنوانصفحهشکل 1-1ضریب هدایت حرارتی بعضی از مواد21شکل 3-1 دامنه حل و هندسه جریان66شکل 4-1تغییرات دماهای دیواره و میانگین سیال غیرنیوتنی پایه در رینولدز 450073شکل 4-2 تغییرات دماهای دیواره و میانگین نانوسیال غیرنیوتنی حاوی ذرات اکسید مس با درصد غلظت 3 و اندازه 60 نانومتر در رینولدز 450074شکل 4-3تغییرات دماهای دیواره و میانگین سیال غیرنیوتنی پایه و نانوسیال غیرنیوتنی در رینولدز 450074شکل 4-4 تغییرات ضریب انتقال حرارت موضعی سیال غیرنیوتنی پایه در طول لوله و اثر عدد رینولدز77شکل 4-5تغییرات عدد ناسلت موضعی سیال غیرنیوتنی پایه در سه رینولدز مختلف77شکل 4-6اثر غلظت ذرات و عدد رینولدز بر ضریب انتقال حرارت جابهجایی میانگین برای ذرات با اندازه 30 نانومتر78شکل 4-7 اثر غلظت ذرات و عدد رینولدز بر ضریب انتقال حرارت جابهجایی میانگین برای ذرات با اندازه 60 نانومتر79شکل 4-8 اثر غلظت ذرات و عدد رینولدز بر ضریب انتقال حرارت جابهجایی میانگین برای ذرات با اندازه 90 نانومتر80شکل 4-9 اثر غلظت ذرات و عدد رینولدز بر عدد ناسلت میانگین برای ذرات با اندازه 30 نانومتر81شکل 4-10اثر غلظت ذرات و عدد رینولدز بر عدد ناسلت میانگین برای ذرات با اندازه 60 نانومتر82شکل 4-11 اثر غلظت ذرات و عدد رینولدز بر عدد ناسلت میانگین برای ذرات با اندازه 90 نانومتر82شکل 4-12 تغییرات ضریب انتقال حرارت جابهجایی میانگین نسبت به تغییر اندازه نانوذرات در رینولدز 300084شکل 4-13 تغییرات ضریب انتقال حرارت جابهجایی میانگین نسبت به تغییر اندازه نانوذرات در رینولدز 450085شکل 4-14 تغییرات ضریب انتقال حرارت جابهجایی میانگین نسبت به تغییر اندازه نانوذرات در رینولدز 600085شکل 4-15 اثر رینولدز بر ضریب انتقال حرارت جابهجایی موضعی نانوسیال در غلظت 1 درصد حجمی ذرات و اندازه 30 نانومتر86شکل 4-16 اثر رینولدز بر ضریب انتقال حرارت جابهجایی موضعی نانوسیال در غلظت 1 درصد حجمی ذرات و اندازه 60 نانومتر87شکل 4-17 اثر رینولدز بر ضریب انتقال حرارت جابهجاییموضعی نانوسیال در غلظت 1 درصد حجمی ذرات و اندازه 90 نانومتر87شکل 4-18 اثر رینولدز بر عدد ناسلت موضعی نانوسیال در غلظت 1 درصد حجمی ذرات و اندازه 30 نانومتر88شکل 4-19 اثر رینولدز بر عدد ناسلت موضعی نانوسیال در غلظت 1 درصد حجمی ذرات و اندازه 60 نانومتر88شکل 4-20 اثر رینولدز بر عدد ناسلت موضعی نانوسیال در غلظت 1 درصد حجمی ذرات و اندازه 90 نانومتر89 فهرست علائم: علائم:A- مساحتAc- سطح مقطعCp- گرماي ويژه در فشار ثابتdp- اختلاف فشارdh- قطر هیدرولیکیdp - قطر ذراتD- قطرh- ضريب انتقال گرماي جابجاييk- ضریب هدايت گرمايي، ضریب قاعده توانیK- ضریب قاعده توانیKB- ثابت بولتزمنL- طولn- توان قاعده توانیNu- عدد ناسلتNA- عدد آووگادروP - فشارPe- عدد پکلهPr- عدد پرانتلPw- محیط خیس شدهq"- شار حرارتیRe-عدد رينولدزRecr- عدد رينولدز بحرانیT- دماTs- دمای سطحTf- دمای میانگینTw- دمای دیوارهu- سرعتum- سرعت میانگینV- سرعت سمبلهای یونانی:a- ضریب پخشl- ثابت لاپلاس، پویش آزاد ملکولیm- لزجت ديناميکيr-چگاليtw- تنش دیوارهj-کسر حجمي نانوذرات اندیسها:Brownian- براونیeff- موثرf- سيالGn- گنيلينسكيnf- نانوسيالp- ذرات فصل اول مقدمه و کلیات تحقیق در چند دهه اخیر به‌منظور صرفه‌جویی در مصرف انرژی و مواد اولیه و با در نظر گرفتن مسائل اقتصادی و زیست‌محیطی تلاشهای زیادی برای ساخت دستگاههای تبادل حرارت پربازده صورت پذیرفته است. هدف اصلی کاهش اندازه مبدل حرارتی موردنیاز برای یک بار حرارتی معین و افزایش ظرفیت مبدلهای حرارتی موجود میباشد. تقاضای جهانی برای دستگاههای تبادل حرارتی کارآمد، قابل‌اطمینان و اقتصادی مخصوصا در صنایع فرآیندی، تولید الکتریسیته، سیستمهای سرمایش و تهویه مطبوع، مبدلهای حرارتی، وسایل نقلیه و... به سرعت رو به افزایش است. اگر اصول مربوط به روشهای افزایش انتقال حرارت و طراحی دستگاههای انتقال حرارت با سطح زیاد به‌خوبی شناخته شوند، امکان صرفه‌جویی در مصرف انرژی و کاهش آلودگی محیط‌زیست میسر خواهد بود. روشهای متعددی برای افزایش انتقال حرارت وجود دارند که به دو دسته کلی تقسیم میشوند.- روشهای غیرفعال[1] که نیازی به اعمال نیروی خارجی ندارند.- روشهای فعال[2] که نیازمند نیرو با توان خارجی میباشند.روشهای غیرفعال شامل استفاده از سطوح گسترده، مبدلهای حرارتی فشرده، مجاری با مقطع غیر مدور، افزایش انتقال حرارت گردابهای[3]، تغییرخاصیت رئولوژیکی سیال، میکروکانالها، پوشش دهی و پرداخت سطح، استفاده از وسایل جابه‌جاشونده داخل مجرای سیال، استفاده از وسایل چرخاننده جریان، ایجاد انقطاع و شکستگی در جریان، لولههای مارپیچی، مواد افزودنی به مایعات و گازها هستند. روشهای فعال شامل هم زدن مکانیکی، تراشیدن سطح، سطوح چرخنده، نوسان سطح، نوسان سیال، استفاده از میدان الکتریکی، تزریق و مکش میباشند.در این مطالعه از روشهای غیرفعال شامل میکروکانالها، تغییرخاصیت رئولوژیکی سیال و مواد افزودنی به مایعات برای افزایش انتقال حرارت استفاده خواهد شد. 1-1 میکروکانالها[4]میکروکانالها در صنایع و دستگاههای متفاوتی نظیر سرمایش قطعات الکترونی، مبدلهای حرارتی میکروکانال، سرمایش و روانکاری سیستمهای روباتیک، سیستمهای میکروالکترومکانیکی و میکروراکتورها کاربرد دارند. با کوچک شدن اندازه مجرا، فرض پیوستگی جریان دقت خود را از دست میدهد ولی برای مقدار معینی از اندازه مجرا این امکان وجود دارد که با اصلاح شرایط مرزی، معادلات ناویر استوکس را به کاربرد. [1]. 1-2 تغییرخاصیت رئولوژیکی سیالیکی از روشهای بسیار مؤثر در افزایش انتقال حرارت تغییر دادن خاصیت رئولوژیکی سیال است. با افزودن موادی خاص به سیالات مختلف میتوان خاصیت رئولوژیکی آن‌ها را از حالت نیوتنی به حالت شبه الاستیک یا ویسکوالاستیک تغییر داد.تغییر خاصیت رئولوژیکی سیال یکی از مهم‌ترین روشهای افزایش انتقال حرارت میباشد چراکه همزمان با افزایش انتقال حرارت ضریب اصطکاک و درنتیجه افت فشار کاهش مییابد. 1-3 مواد افزودنی به مایعاتافزودن ذرات جامد به‌صورت معلق در سیال پایه یکی از روشهای انتقال حرارت میباشد. افزایش ضریب هدایت حرارت ایده اصلی در بهبود مشخصههای انتقال حرارت سیالات است. ازآنجاکه ضریب هدایت حرارتی ذرات جامد معمولا خیلی بالاتر از سیالات میباشد، انتظار میرود افزودن این ذرات جامد موجب افزایش ضریب هدایت حرارت سیال پایه شود.افزایش ضریب هدایتی حرارتی مایعات درنتیجه افزودن ذرات با اندازه میلی‌متر و میکرومتر بیش از 100 سال است که شناخته‌شده میباشد.[2]. اما استفاده از این ذرات به دلیل مشکلات عملی نظیر ته‌نشین شدن سریع ذرات، ایجاد سایش شدید، افزایش افت فشار و عدم امکان استفاده از آن‌ها در مجاری بسیار ریز، میسر نیست. پیشرفتهای اخیر در فناوری مواد تولید ذرات با اندازه نانومتر (نانومواد) را که توان فائق آمدن بر این مشکلات را دارند فراهم آورده است. با پخش کردن این نانومواد در سیال نوع جدیدی از سیال به وجود میآید که نانوسیال[5] نامیده میشوند.1-4 میکروکانالها 1-4-1 چکیدهتقاضای رو به رشد برای کوچک‌سازی محصولاتدر تمام بخشهای صنعتی، با رقابت جهانی برای اطمینان بیشتر، سرعت بیشتر و محصولات مقرون‌به‌صرفه همراه شده است و منجر به چالشهای جدیدی برای طراحی و بهرهبرداریسیستم‌های مدیریت حرارتی شده است. افزایش سریع در تعداد ترانزیستورها بر روی تراشه، با افزایش قابلیت یا قدرت و درنتیجه شار حرارتی بالاتر، یکی از این چالش بزرگ در صنعت الکترونیک است. تکنولوژیهای مبدل حرارت و مبدل جرم میکروکانالدر حال پیدا کردن کاربردهای جدید در صنایع گوناگونبه‌عنوان یک راهحل امیدوارکننده برای تغییر تکنولوژیها است. در این راه مانسل بعدی سیستمهای مدیریت حرارتی با کارایی بالا را طراحی و راه‌اندازی میکنیم. در این فصل با اصول میکروکانالها برخورد خواهیم کرد. با معرفی تاریخچه، زمینه‌های فنی، طبقه‌بندی، مزایا و معایب میکروکانالها شروع میکنیم. روش ساخت (تکنولوژی متداول و تکنولوژی مدرن) برای میکروکانالها در کنار هم در نظر گرفته میشود. در نهایت، ارتباط افت فشار و ضریب انتقال حرارت برای جریان تک فاز برای انواع شرایط جریان داخلی ارائه خواهد شد.