کلمات کلیدی: نانوسیال غیرنیوتنی، میکروکانال، انتقال حرارت جابجایی، شبکه همجا. فهرست مطالبفصل اول: معرفی1مقدمه21-1مروری بر روشهای افزایش انتقال حرارت21-1-1میکروکانالها21-1-1مواد افزودنی به مایعات31-2نانوسیال 3فصل دوم: نانوسیال و تعیین خواص آن4مقدمه52-1كاربردهاي نانوسيال52-2پارامترهاي تأثیرگذار بر ضریب هدایت حرارتی62-3تعیین خواص نانوسیال62-3-1دانسیته72-3-2ظرفیت گرمایی ویژه72-3-3ضریب هدایت حرارتی72-3-4لزجت دینامیکی8فصل سوم: میکروکانال9مقدمه103-1دلایل گرایش به ابعاد میکرو103-2دسته‌بندی کانال‌ها از لحاظ ابعاد103-3اثرات ابعادی در میکروکانال113-3-1اثر ورودي113-3-3اتلاف لزجی13فصل چهارم:سیالات غیرنیوتنی14مقدمه154-1معرفی سیالات غیرنیوتنی164-2رفتار مستقل زمانی سیال174-2-1رفتار نازک برشی184-2-1-1معادله سیال توانی یا استوالد دی وائل194-2-1-1معادله ویسکوزیته کراس214-2-1-3معادله سیال الیس214-2-2رفتار ویسکو-پلاستیک سیال214-2-3رفتار ضخیم برشی یا دیلاتانت244-3رفتار وابسته زمانی سیال264-4رفتار ویسکو الاستیک سیال26فصل پنجم:بررسی کارهای انجام شده28مقدمه295-1جریان در میکروکانال295-2نانوسیال335-3سیال و نانوسیال غیرنیوتنی365-4نانوسیال در میکروکانال445-5سیال غیرنیوتنی در میکروکانال46فصل ششم: معادلات حاکم50مقدمه516-1معادلات حاکم516-2بررسی و گسسته سازی معادلات حاکم536-2-1معادله ممنتم در جهت x546-2-2معادله انرژی566-2-3حل معادله فشار58فصل هفتم: نتایج61مقدمه627-1کانال627-1-1خواص رئولوژیکی نانوسیال637-1-1درستی آزمایی کد647-1-2حل مستقل از شبکه657-1-3نتایج667-2میکروکانال همگرا767-2-1حل مستقل از شبکه767-2-2نتایج777-2میکروکانال907-2-1حل مستقل از شبکه917-2-2نتایج92فصل هشتم: نتیجه‌گیری و پیشنهادات109مراجع111 فهرست شکل‌ها عنوانشماره صفحهشکل 3-1 شکل ناحیه ورودی برای سیالی با Pr>1]7[12شکل 4-1 منحنی‌های جریان کیفی برای انواع مختلف سیالات غیرنیوتنی[chhabra]18شکل 4-2 نمایش ویسکوزیته‌های یک محلول پلیمری در برش صفر و برش بی نهایت[chhabra]20شکل 4-3داده‌های تنش برشی-نرخ برش برای شیره گوشت و محلول کربوپول که به ترتیب رفتار بینگهام و ویسکو-پلاستیک نشان می‌دهند[chhabra]25شکل 4-4داده‌های تنش برشی- نرخ برش برای سوسپانسیون‌های TiO2 که رفتار ضخیم برشی نشان می‌دهند[chhabra]25شکل 6-1 مقایسه شبکه الف) همجا و ب) غیرهمجا58شکل 6-2توزیع فشار غیر یکنواخت در یک شبکه همجا59شکل 6-3 یک المان در شبکه همجا59شکل 7-1 هندسه کانال دوبعدی با دیواره‌های دما ثابت63شکل 7-2 هندسه کانال ساده دوبعدی با دیواره‌های دما ثابت64شکل 7-3 درستی آزمایی کد64شکل 7-4 درستی‌آزمایی کد در مقایسه با کار سانترا و همکاران ]68[65شکل 7-5 تغييرات شار حرارتی در ديواره بالا در کسر حجمي‌هاي مختلف نانوسيال در Rel=400 و nRe=1/567شکل 7-6 توزيع ضریب اصطکاک در ديواره بالایی در کسر حجمي‌هاي مختلف نانوسيال در Rel=200 و nRe=1/568شکل 7-7 توزيع عدد ناسلت در ديواره بالا در کسر حجمي 01/0 نانوسيال به ازاي مقادير مختلف عدد رينولدز در ورودی دوم69شکل 7-8 توزيع تنش برشی در ديواره بالا در کسر حجمي 01/0 نانوسيال CMC- اکسيد مس به ازاي مقادير مختلف عدد رينولدز در ورودی دوم69شکل 7-9 عددناسلت متوسط به ازای مقادیر مختلف عدد رینولدز و کسر حجمی70شکل 7-10 توزیع عدد ناسلت روی دیوار بالا برای Rel=200، nRe=1/5، =0/01و مقادیر مختلف قطر ورودی دوم71شکل 7-11 توزیع تنش برشی روی دیوار بالا برای Rel=200، nRe=1/5، =0/01و مقادیر مختلف قطر ورودی دوم 72شکل 7-12 عدد ناسلت متوسط روی دیوار بالا برای Rel=200، nRe=1/5 و 01/0 و مقادیر مختلف طول کانال73شکل 7-13 توزیع خط جریان به ازای Rel=200 و nRe=1/5 و a) 01/0 و b) 04/074شکل 7-14 خطوط جریان برای 01/0 و nRe=1/5 و a)Rel=200 و b) Rel=40075شکل 7-15 میکروکانال همگرای مورد بررسی 76شکل 7-16 نتایج حل مستقل از شبکه برای هندسه میکروکانال همگرا77شکل 7-17 عدد ناسلت متوسط روی دیوار پایین برای AR=3،=3o α و مقادیر مختلف کسر حجمی و عدد رینولدز78شکل 7-18 عدد ناسلت متوسط روی دیوار پایین برای AR=3 و 01/0 و مقادیر مختلف عدد رینولدز و α78شکل 7-19 تنش برشی متوسط روی دیوار پایین برای AR=3 و 01/0 و مقادیر مختلف عدد رینولدز و α79شکل 7-20 مقایسه پروفیل سرعت خط مرکزی کانال برایRe=300 ، 04/0، =3 oα و مقادیر مختلف نسبت منظر برای دو سیال نیوتنی و غیرنیوتنی80شکل 7-21 توزیع عدد ناسلت روی دیوار پایین برای Re=300، 04/0، =3 oα و مقادیر مختلف نسبت منظر کانال81شکل 7-22 توزیع تنش برشی روی دیوار پایین برای Re=300، 04/0، =3 oα و مقادیر مختلف نسبت منظر کانال81شکل 7-23 توزیع عدد ناسلت روی دیوار پایین برای سیال نیوتنی و Re=300، 04/0، =3 oα و مقادیر مختلف نسبت منظر کانال82شکل 7-24 پروفیل سرعت در انتهای کانال برای Re=600،04/0، AR=3/0 و مقادیر مختلف α83شکل 7-25 پروفیل سرعت در انتهای کانال برای Re=300، 04/0، =3 oα و مقادیر مختلف نسبت منظر کانال83شکل 7-26خطوط جریان در 04/0، AR=3، =3 oα و a)Re=100b)Re=300 و c)Re=60085شکل 7-27 خطوط جریان در Re=300، 04/0، =3 oα و a)AR=1، b)AR=2، c)AR=3 و d)AR=687شکل 7-28 خطوط جریان و گردابه‌ها به ازای Re=600، 04/0، AR=3 و a) =2o α، b) =3o α و c) =5o α89شکل 7-29 توزیع بردار سرعت برای Re=600، 04/0، AR=3 و =3o α89شکل 7-30 هندسه و شرایط مرزی میکروکانال مورد بررسی90شکل 7-31 اندیس تابع نمایی وابسته به دما و کسر حجمی برای نانوسیال CMC/TiO2]73[91شکل 7-32 اندیس سازگاری وابسته به دما و کسر حجمی برای نانوسیال CMC/TiO2]73[91شکل 7-33 توزیع عدد ناسلت روی دیوار بالا در Rel=400، nRe=1/5 و مقادیر مختلف کسر حجمی93شکل 7-34 توزیع تنش برشی روی دیوار بالا در Rel=400، nRe=1/5 و مقادیر مختلف کسر حجمی94شکل 7-35 توزیع عدد ناسلت روی دیوار بالا در 0/01=،Rel=100 و مقادیر مختلف عدد رینولدز در ورودی دوم94 شکل 7-36 توزیع تنش برشی روی دیوار بالا در 0/01=،Rel=100 و مقادیر مختلف عدد رینولدز در ورودی دوم95شکل 7-37 عدد ناسلت متوسط روی دیوار بالا به برای مقادیر مختلف عدد رینولدز و کسر حجمی96شکل 7-38 تنش برشی متوسط روی دیوار بالا به برای مقادیر مختلف عدد رینولدز و کسر حجمی96شکل 7-39 توزیع عدد ناسلت روی دیوار بالا برای Rel=400، nRe=1/5، =0/04 و مقادیر مختلف قطر ورودی دوم97شکل 7-40 توزیع تنش برشی روی دیوار بالا برای Rel=400، nRe=1/5، =0/04 و مقادیر مختلف قطر ورودی دوم98شکل 7-41 عدد ناسلت متوسط روی دیوار بالا در Rel=200، nRe=1/5 و مقادیر مختلف طول کانال99شکل 7-42 تنش برشی متوسط روی دیوار بالا در Rel=200، nRe=1/5 و مقادیر مختلف طول کانال99شکل 7-43 اثر ترم اتلاف لزجی روی انتقال حرارت در Rel=400، nRe=1/5 و 01/0100شکل 7-44 عدد ناسلت متوسط روی دیوار بالا برای Rel=400، nRe=1/5 با تغییر محل ورودی دوم101شکل 7-45 تنش برشی متوسط روی دیوار بالا برای Rel=400، nRe=1/5 با تغییر محل ورودی دوم102شکل 7-46 پروفیل سرعت در مرکزکانال در Rel=400، nRe=1/5 و مقادیر مختلف کسر حجمی و تغییر محل ورودی دوم102شکل 7-47 توزیع عدد ناسلت روی دیوار بالا برای Rel=600، nRe=1/5 و 04/0 و مقادیر مختلف شار حرارتی روی دیوار بالا103شکل 7-48 مقایسه پروفیل سرعت توسعه یافته برای سیال نیوتنی و سیال غیرنیوتنی خالص و نانوسیال غیرنیوتنی104شکل 7-49 پروفیل سرعت در Rel=600، nRe=1/5، 01/0 و x های مختلف105شکل 7-50 توزیع خط جریان به ازای Rel=400 و nRe=1/5 و a) 0/0 و b) 04/0106شکل 7-51 خطوط جریان برای 0/0 و nRe=1/5 و a)Rel=400 و b) Rel=600107شکل 7-52 خطوط جریان به ازای 04/0 و nRe=1/5 و در Rel=400a) با در نظر گرفتن ترم اتلاف ویسکوز و b) بدون در نظر گرفتن ترم اتلاف ویسکوز108 فهرست جدولهاعنوانشماره صفحهجدول 2-1 خواص برخی سيال‌ها و نانوذرات7جدول 3-1 دسته بندی انواع کانال از لحاظ قطر هیدرولیکی11جدول 4-1 مقادیر ویسکوزیته برخی سیالات معمول در دمای اتاق16جدول 7-1 خواص رئولوژیکی نانوسیالCMC- اکسید تیتانیم در دمای 25oC63جدول 7-2 نتایج حل مستقل از شبکه برای ماکروکانال66جدول 7-3 خواص رئولوژیکی وابسته به دما برای نانوسیال CMC- اکسید تیتانیم92جدول 7-4 نتایج حل مستقل از شبکه برای میکروکانال92 ليست علائم و اختصاراتسطح مقطعA (m2)نسبت منظرARعدد برینکمنBrظرفيت گرمايي ويژهCp (J/KgK)قطر هیدرولیکیdh (m)قطر ذرات نانوdp (nm)عدد اکرتEcمدول یانگGعدد گراتزGzارتفاع کانالh (m)ضريب هدايت حرارتيk (W/mK)عدد نادسنKnطول کانالl (m)اندیس سازگاری جریانm(Pa.Sn)عدد ناسلتNuفشارP (Pa)عدد پرنتلPrشار حرارتی(W/m2)عدد رینولدزReدماT (K)دمای توده سیالTB (K)اختلاف دماDT (K)مولفه سرعت در راستای محور xu (m/s)سرعت لغزشی سیال(m/s)حجمV (m3)مولفه سرعت در راستای محور yv (m/s)مولفه طول افقيx (m)مولفه طول عمودیy (m)علائم یونانیضریب پخش حرارتی(m2/s)αضریب انبساط حجمی(K-1)βنرخ برشکسر حجمي نانو ذراتfویسکوزیته ظاهریh(kg/ms)ویسکوزیته سینماتیکیn (m2/s)چگالیr(kg/m3)تنش برشیt(Pa)زیرنویسهاظاهریappمتوسطaveورودی پایینbدیوار پایینdwموثرeffسيالfورودی چپlورودیinجتjetنانوسیالnfدیوار بالاtw فصل اول مقدمهگرمايش و سرمايش يک سيستم توسط سيال در بسياري از صنايع مانند صنايع الکترونيک، نيروگاهها، دستگاههاي نوري،آهنرباهاي ابر رسانا، کامپيوترهاي فوق سريع و موتور اتومبیل از اهميت زيادي برخوردار است. سيستمهاي خنک‌کننده وگرمايشي بر پايه روشهای مختلف انتقال حرارت طراحــي ميشوند. با توجه به اين امر توسعه تکنيکهاي موثر انتقال حرارت با توجه به محدوديت منابع طبيعي و تمايل به کاهش هزينهها بسيار ضروري ميباشد. در این فصل ابتدا روشهای بهبود انتقال حرارت را دسته‌بندی کرده و سپس در مورد روش‌هایی که در این پایان‌نامه به کار گرفته خواهند شد، با جزئیات بیشتری شرح داده خواهد شد.در چند دهه اخیر به منظور صرفه‌جویی در مصرف انرژی و مواد اولیه و با در نظر گرفتن مسائل اقتصادی و زیست‌محیطی تلاش‌های زیادی برای ساخت دستگاه‌های تبادل کننده حرارتی پربازده صورت پذیرفته است که هدف اصلی آن‌ها کاهش اندازه وسایل حرارتی مورد نیاز برای یک بار حرارتی معین و افزایش ظرفیت انتقال حرارت می‌باشد. با نگاهی کلی بر کارهای انجام شده در این زمینه، می‌توان روش‌هایی که برای این کار ارائه شده است را به دو دسته کلی تقسیم کرد:از روشهای غیر فعال می‌توان به استفاده از سطوح گسترده، مبدل‌های حرارتی فشرده، مجاری با مقاطع غیر مدور، افزایش انتقال حرارت گردابه‌ای، میکروکانالها، پوشش‌دهی و پرداخت سطح ، موجی‌کردن سطح و... و از روشهای فعال نیز می‌توان همزدن مکانیکی، سطوح چرخنده، نوسان سطح، نوسان سیال ، استفاده از میدان الکتریکی، تزریق و مکش را اشاره کرد با توجه به اینکه در پایان‌نامه پیش رو، از دو عامل میکروکانالها و مواد افزودنی به مایعات استفاده شده است، این‌دو روش مختصرا شرح داده خواهند شد. برای توضیحات بیشتر می‌توانید به رامیار ]7[ مراجعه کنید.1-1-6 میکروکانالهایکی دیگر از روشهای افزایش انتقال حرارت، استفاده از میکروکانالها می‌باشد. استفاده از این روش در صنایع و دستگاه‌های متفاوتی نظیر سرمایش قطعات الکترونیکی، مبدل‌هایِ حرارتیِ میکروکانال، سرمایش و روان‌سازی سیستم‌های روباتیک، سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی و میکرورآکتورها کاربرد دارند. اساس کار میکروکانالها افزایش نسبت سطح انتقال دهنده حرارت می‌باشد.1-1-10 مواد افزودنی به مایعاتافزودن ذرات جامد به صورت معلق در سیال پایه یکی از روشهای افزایش انتقال حرارت می‌باشد. افزایش ضریب هدایت حرارتی ایده اصلی در بهبود مشخصه‌های انتقال حرارت سیالات است. از آنجا که ضریب هدایت حرارتی ذرات جامد فلزی معمولاً بزرگتر از سیالات می‌باشد، انتظار می‌رود افزودن این ذرات جامد موجب افزایش ضریب هدایت حرارتی سیال پایه گردد. افزودن ذرات با اندازه میلی‌متر و میکرومتر بیش از 100 سال است که شناخته شده می‌باشد [2] اما استفاده از این ذرات بدلیل مشکلات عملی نظیر ته‌نشین شدن سریع ذرات، ایجاد سایش شدید، افزایش افت فشار و عدم امکان استفاده از آن‌ها در مجاری بسیار کوچک، میسر نیست. یکی دیگر از این روش‌ها تزریق گاز به داخل مایعات می‌باشد. با تزریق هوا به آب و اتیلن گلیکول افزایش تا 400% در ضریب انتقال حرارت مشاهده شده است [3].پیشرفت‌های اخیر در مهندسی مواد و توسعه فناوری‌های جدید زمینه را برای تولید ذرات با اندازه نانومتر (نانو مواد) فراهم کرده است. با پخش کردن این مواد در سیال نوع جدیدی از سیال به وجود می‌آید که نانوسیال نامیده می‌شود. ایده اصلی در این روش در واقع از همان روشِ اضافه کردن ذرات جامد به سیال گرفته شده است. نانو مواد خواص حرکتی و حرارتی سیال را به شدت تحت تاثیر قرار می‌دهند. نانو ذرات در مقایسه با ذرات در اندازه میلی‌متر یا میکرومتر دارای سطح تماس بیشتری هستند که قابلیت انتقال انرژی را بین ذرات جامد و سیال افزایش می‌دهد. مزیت دیگر این نوع سیال کوچک بودن نانوذرات پخش شده در آن است. این ذرات دارای ممنتوم کمتری هستند که در نتیجه از خوردگی دیواره لوله‌ها و کانال‌ها جلوگیری می‌شود. امکان ته نشین شدن این ذرات بدلیل وزن کم آن کمتر است. در فصل دوم درباره نانوسیال، خواص و ویژگی‌های آن به تفصیل توضیح داده شده است.