فرمت فایل : WORD (قابل ویرایش)
تعداد صفحات:129
پایان‌نامه دوره کارشناسی ارشد در رشته مهندسی مکانیک گرایش تبدیل انرژی
فهرست مطالب:
فصل اول: معرفی 1
مقدمه 2
1-1 مروری بر روشهای افزایش انتقال حرارت 2
1-1-1 میکروکانال‌ها 2
1-1-1 مواد افزودنی به مایعات 3
1-2 نانوسیال 3
فصل دوم: نانوسیال و تعیین خواص آن 4
مقدمه 5
2-1 کاربردهای نانوسیال 5
2-2 پارامترهای تأثیرگذار بر ضریب هدایت حرارتی 6
2-3 تعیین خواص نانوسیال 6
2-3-1 دانسیته 7
2-3-2 ظرفیت گرمایی ویژه 7
2-3-3 ضریب هدایت حرارتی 7
2-3-4 لزجت دینامیکی 8
فصل سوم: میکروکانال 9
مقدمه 10
3-1 دلایل گرایش به ابعاد میکرو 10
3-2 دسته‌بندی کانال‌ها از لحاظ ابعاد 10
3-3 اثرات ابعادی در میکروکانال 11
3-3-1 اثر ورودی 11
3-3-3 اتلاف لزجی 13
فصل چهارم: سیالات غیرنیوتنی 14
مقدمه 15
4-1 معرفی سیالات غیرنیوتنی 16
4-2 رفتار مستقل زمانی سیال 17
4-2-1 رفتار نازک برشی 18
4-2-1-1 معادله سیال توانی یا استوالد دی وائل 19
4-2-1-1 معادله ویسکوزیته کراس 21
4-2-1-3 معادله سیال الیس 21
4-2-2 رفتار ویسکو-پلاستیک سیال 21
4-2-3 رفتار ضخیم برشی یا دیلاتانت 24
4-3 رفتار وابسته زمانی سیال 26
4-4 رفتار ویسکو الاستیک سیال 26
فصل پنجم: بررسی کارهای انجام شده 28
مقدمه 29
5-1 جریان در میکروکانال 29
5-2 نانوسیال 33
5-3 سیال و نانوسیال غیرنیوتنی 36
5-4 نانوسیال در میکروکانال 44
5-5 سیال غیرنیوتنی در میکروکانال 46
فصل ششم: معادلات حاکم 50
مقدمه 51
6-1 معادلات حاکم 51
6-2 بررسی و گسسته سازی معادلات حاکم 53
6-2-1 معادله ممنتم در جهت x 54
6-2-2 معادله انرژی 56
6-2-3 حل معادله فشار 58
فصل هفتم: نتایج 61
مقدمه 62
7-1 کانال 62
7-1-1 خواص رئولوژیکی نانوسیال 63
7-1-1 درستی آزمایی کد 64
7-1-2 حل مستقل از شبکه 65
7-1-3 نتایج 66
7-2 میکروکانال همگرا 76
7-2-1 حل مستقل از شبکه 76
7-2-2 نتایج 77
7-2 میکروکانال 90
7-2-1 حل مستقل از شبکه 91
7-2-2 نتایج 92
فصل هشتم: نتیجه‌گیری و پیشنهادات 109
مراجع 111
فهرست شکل‌ها
عنوان شماره صفحه
شکل 3-1 شکل ناحیه ورودی برای سیالی با Pr>1 ]7[ 12
شکل 4-1 منحنی‌های جریان کیفی برای انواع مختلف سیالات غیرنیوتنی[chhabra] 18
شکل 4-2 نمایش ویسکوزیته‌های یک محلول پلیمری در برش صفر و برش بی نهایت[chhabra] 20
شکل 4-3 داده‌های تنش برشی-نرخ برش برای شیره گوشت و محلول کربوپول که به ترتیب رفتار بینگهام و ویسکو-پلاستیک نشان می‌دهند[chhabra] 25
شکل 4-4 داده‌های تنش برشی- نرخ برش برای سوسپانسیون‌های TiO2 که رفتار ضخیم برشی نشان می‌دهند[chhabra] 25
شکل 6-1 مقایسه شبکه الف) همجا و ب) غیرهمجا
58
شکل 6-2 توزیع فشار غیر یکنواخت در یک شبکه همجا 59
شکل 6-3 یک المان در شبکه همجا
59
شکل 7-1 هندسه کانال دوبعدی با دیواره‌های دما ثابت 63
شکل 7-2 هندسه کانال ساده دوبعدی با دیواره‌های دما ثابت 64
شکل 7-3 درستی آزمایی کد
64
شکل 7-4 درستی‌آزمایی کد در مقایسه با کار سانترا و همکاران ]68[ 65
شکل 7-5 تغییرات شار حرارتی در دیواره بالا در کسر حجمی‌های مختلف نانوسیال در Rel=400 و nRe=1/5 67
شکل 7-6 توزیع ضریب اصطکاک در دیواره بالایی در کسر حجمی‌های مختلف نانوسیال در Rel=200 و nRe=1/5 68
شکل 7-7 توزیع عدد ناسلت در دیواره بالا در کسر حجمی 01/0 نانوسیال به ازای مقادیر مختلف عدد رینولدز در ورودی دوم 69
شکل 7-8 توزیع تنش برشی در دیواره بالا در کسر حجمی 01/0 نانوسیال CMC- اکسید مس به ازای مقادیر مختلف عدد رینولدز در ورودی دوم 69
شکل 7-9 عدد ناسلت متوسط به ازای مقادیر مختلف عدد رینولدز و کسر حجمی 70
شکل 7-10 توزیع عدد ناسلت روی دیوار بالا برای Rel=200، nRe=1/5، =0/01 و مقادیر مختلف قطر ورودی دوم
71
شکل 7-11 توزیع تنش برشی روی دیوار بالا برای Rel=200، nRe=1/5، =0/01 و مقادیر مختلف قطر ورودی دوم
72
شکل 7-12 عدد ناسلت متوسط روی دیوار بالا برای Rel=200، nRe=1/5 و 01/0 و مقادیر مختلف طول کانال
73
شکل 7-13 توزیع خط جریان به ازای Rel=200 و nRe=1/5 و a) 01/0 و b) 04/0
74
شکل 7-14 خطوط جریان برای 01/0 و nRe=1/5 و a)Rel=200 و b) Rel=400 75
شکل 7-15 میکروکانال همگرای مورد بررسی
76
شکل 7-16 نتایج حل مستقل از شبکه برای هندسه میکروکانال همگرا 77
شکل 7-17 عدد ناسلت متوسط روی دیوار پایین برای AR=3،=3o α و مقادیر مختلف کسر حجمی و عدد رینولدز 78
شکل 7-18 عدد ناسلت متوسط روی دیوار پایین برای AR=3 و 01/0 و مقادیر مختلف عدد رینولدز و α
78
شکل 7-19 تنش برشی متوسط روی دیوار پایین برای AR=3 و 01/0 و مقادیر مختلف عدد رینولدز و α
79
شکل 7-20 مقایسه پروفیل سرعت خط مرکزی کانال برایRe=300 ، 04/0 ، =3 oα و مقادیر مختلف نسبت منظر برای دو سیال نیوتنی و غیرنیوتنی 80
شکل 7-21 توزیع عدد ناسلت روی دیوار پایین برای Re=300 ، 04/0 ، =3 oα و مقادیر مختلف نسبت منظر کانال 81
شکل 7-22 توزیع تنش برشی روی دیوار پایین برای Re=300 ، 04/0 ، =3 oα و مقادیر مختلف نسبت منظر کانال
81
شکل 7-23 توزیع عدد ناسلت روی دیوار پایین برای سیال نیوتنی و Re=300 ، 04/0 ، =3 oα و مقادیر مختلف نسبت منظر کانال 82
شکل 7-24 پروفیل سرعت در انتهای کانال برای Re=600،04/0 ، AR=3/0 و مقادیر مختلف α
83
شکل 7-25 پروفیل سرعت در انتهای کانال برای Re=300، 04/0 ، =3 oα و مقادیر مختلف نسبت منظر کانال
83
شکل 7-26 خطوط جریان در 04/0 ، AR=3، =3 oα و a)Re=100 b)Re=300 و c)Re=600 85
شکل 7-27 خطوط جریان در Re=300، 04/0 ، =3 oα و a)AR=1، b)AR=2، c)AR=3 و d)AR=6 87
شکل 7-28 خطوط جریان و گردابه‌ها به ازای Re=600، 04/0 ، AR=3 و a) =2o α، b) =3o α و c) =5o α
89
شکل 7-29 توزیع بردار سرعت برای Re=600، 04/0 ، AR=3 و =3o α 89
شکل 7-30 هندسه و شرایط مرزی میکروکانال مورد بررسی 90
شکل 7-31 اندیس تابع نمایی وابسته به دما و کسر حجمی برای نانوسیال CMC/TiO2 ]73[ 91
شکل 7-32 اندیس سازگاری وابسته به دما و کسر حجمی برای نانوسیال CMC/TiO2 ]73[ 91
شکل 7-33 توزیع عدد ناسلت روی دیوار بالا در Rel=400، nRe=1/5 و مقادیر مختلف کسر حجمی 93
شکل 7-34 توزیع تنش برشی روی دیوار بالا در Rel=400، nRe=1/5 و مقادیر مختلف کسر حجمی 94
شکل 7-35 توزیع عدد ناسلت روی دیوار بالا در 0/01= ، Rel=100 و مقادیر مختلف عدد رینولدز در ورودی دوم
94
شکل 7-36 توزیع تنش برشی روی دیوار بالا در 0/01= ، Rel=100 و مقادیر مختلف عدد رینولدز در ورودی دوم 95
شکل 7-37 عدد ناسلت متوسط روی دیوار بالا به برای مقادیر مختلف عدد رینولدز و کسر حجمی 96
شکل 7-38 تنش برشی متوسط روی دیوار بالا به برای مقادیر مختلف عدد رینولدز و کسر حجمی 96
شکل 7-39 توزیع عدد ناسلت روی دیوار بالا برای Rel=400، nRe=1/5، =0/04 و مقادیر مختلف قطر ورودی دوم
97
شکل 7-40 توزیع تنش برشی روی دیوار بالا برای Rel=400، nRe=1/5، =0/04 و مقادیر مختلف قطر ورودی دوم
98
شکل 7-41 عدد ناسلت متوسط روی دیوار بالا در Rel=200، nRe=1/5 و مقادیر مختلف طول کانال 99
شکل 7-42 تنش برشی متوسط روی دیوار بالا در Rel=200، nRe=1/5 و مقادیر مختلف طول کانال 99
شکل 7-43 اثر ترم اتلاف لزجی روی انتقال حرارت در Rel=400، nRe=1/5 و 01/0
100
شکل 7-44 عدد ناسلت متوسط روی دیوار بالا برای Rel=400، nRe=1/5 با تغییر محل ورودی دوم 101
شکل 7-45 تنش برشی متوسط روی دیوار بالا برای Rel=400، nRe=1/5 با تغییر محل ورودی دوم 102
شکل 7-46 پروفیل سرعت در مرکزکانال در Rel=400، nRe=1/5 و مقادیر مختلف کسر حجمی و تغییر محل ورودی دوم 102
شکل 7-47 توزیع عدد ناسلت روی دیوار بالا برای Rel=600، nRe=1/5 و 04/0 و مقادیر مختلف شار حرارتی روی دیوار بالا 103
شکل 7-48 مقایسه پروفیل سرعت توسعه یافته برای سیال نیوتنی و سیال غیرنیوتنی خالص و نانوسیال غیرنیوتنی 104
شکل 7-49 پروفیل سرعت در Rel=600، nRe=1/5، 01/0 و x های مختلف
105
شکل 7-50 توزیع خط جریان به ازای Rel=400 و nRe=1/5 و a) 0/0 و b) 04/0
106
شکل 7-51 خطوط جریان برای 0/0 و nRe=1/5 و a)Rel=400 و b) Rel=600 107
شکل 7-52 خطوط جریان به ازای 04/0 و nRe=1/5 و در Rel=400 a) با در نظر گرفتن ترم اتلاف ویسکوز و b) بدون در نظر گرفتن ترم اتلاف ویسکوز 108
فهرست جدول‌ها
عنوان شماره صفحه
جدول 2-1 خواص برخی سیال‌ها و نانوذرات 7
جدول 3-1 دسته بندی انواع کانال از لحاظ قطر هیدرولیکی 11
جدول 4-1 مقادیر ویسکوزیته برخی سیالات معمول در دمای اتاق 16
جدول 7-1 خواص رئولوژیکی نانوسیال CMC- اکسید تیتانیم در دمای 25oC 63
جدول 7-2 نتایج حل مستقل از شبکه برای ماکروکانال 66
جدول 7-3 خواص رئولوژیکی وابسته به دما برای نانوسیال CMC- اکسید تیتانیم 92
چکیده:
تحقیقات در زمینه انتقال حرارت سوسپانسیون‌های با ذرات جامد در ابعاد نانومتر درون سیال پایه در دهه اخیر آغاز شده است. تحقیقات اخیر در زمینه نانوسیالات، نشان داده است که افزودن نانوذرات باعث افزایش چشمگیری در انتقال حرارت سوسپانسیون می‌شود. از راه‌های مرسوم دیگر جهت بهبود عملکرد حرارتی دستگاه‌ها، استفاده از کانال‌ها با ابعاد میلی و میکرو است. با توجه به گستردگی و اهمیت سیالات غیرنیوتنی در صنایع گوناگون، هدف از این تحقیق بررسی عددی جریان و انتقال حرارت نانوسیال غیرنیوتنی در رژیم جریان آرام درون میکروکانال است.
در پایان‌نامه حاضر، از ترکیب نانوسیال محلول 5/0% وزنی کربوکسی متیل سلولز- اکسید تیتانیم با قطر نانوذرات nm10 و کسرهای حجمی متفاوت برای بررسی اختلاط جریان در کانال و میکروکانال استفاده شده است. از مدل تک‌فازی برای حل معادلات استفاده شده است. برای حل معادلات، یک کد عددی دو بعدی به زبان فرترن نوشته شده است. برای گسسته‌سازی معادلات حاکم از روش حجم محدود استفاده شده است. برای تولید شبکه، از آرایش شبکه همجا استفاده شده و معادلات کوپل فشار و سرعت نیز با استفاده از الگوریتم سیمپل تغییر یافته حل شده‌اند. در نهایت تأثیر پارامتر اتلاف لزجی که در جریان سیال در کانال‌هایی با ابعاد معمول اهمیت چندانی ندارند و در میکروکانال‌ها حائز اهمیت می‌شود مورد مطالعه قرار گرفته‌است.
کلمات کلیدی: نانوسیال غیرنیوتنی، میکروکانال، انتقال حرارت جابجایی، شبکه همجا.