مطالعه عددي تأثير عاملهاي هندسي بر انتقال گرماي نانو سيال آب ـ 3Al2O در يک ميکروکانال

هجير کريمي*+، محمدمهدي سبزه ميداني
ياسوج، دانشگاه ياسوج، دانشکده مهندسي، گروه مهندسي شيمي

چكيده: اين پژوهش به بررسي انتقال گرما و ساختار جريان، نانو سيال آب – آلومينيم اکسيد در ميکروکانال دو بعدي مستطيلي در جز حجمي2 %، 4 %، 6 % و 8% نانو ذرهها و عدد رينولدز 01 تا01 با استفاده از ديناميک سيالهاي محاسباتي (CFD) پرداخته است. مجموعه معادلههاي حاکم، پيوستگي و مومنتم و گرما به روش المان محدود با اعمال شرايط مرزي با کمک نرم افزار کامسول حل شده است. عدد ناسلت محلي پيش بيني شده جريان نانو سيال آب ـ آلومينيم اکسيد در عدد رينولدز 9/6 و 0% با دادههاي آزمايشگاهي تطابق خوبي دارد .نتيجههاي شبيهسازي نشان دادند افزايش عدد رينولدز موجب افزايش سرعت سيال و افزايش تراکم خطوط جريان لبه تيغه و ايجاد گردابهاي بزرگتر جريان ميشود که اين پديده موجب افزايش ناسلت ميشود. همچنين افزايش تعداد تيغهها موجب تشکيل مناطق چرخش جريان بيشتر ميشود که اين امر به سبب تبادل گرماي بهتر سيال با ديواره کانال و افزايش دماي خروجي ميکروکانال ميشود. به طوري که در رينولدز 41 دما خروجي سيال در ميکروکانال شش تيغه 50/522 کلوين و در ميکروکانال يک تيغه 9/504 کلوين ميباشد. با افزايش ارتفاع تيغه وسعت منطقه چرخش بيشتر شده و در پي آن ضريب انتقال گرما افزايش مييابد. براي ميکروکانال شش تيغه با افزايش عدد رينولدز از 01 به 01 ميزان افت فشار 00 برابر و ميزان ناسلت 28 برابر مي شود. همچنين افزايش جز حجمي نانو ذره ،مقدارهاي متوسط دماي خروجي ميکروکانال را افزايش داده و وسعت گردابها را با تأثيرگذاري بر گرانروي کاهش ميدهد افزايش جز حجمي از 12/1 تا 0/1.براي ميکروکانال تک تيغه دما را 06/1 درصد افزايش مييابد. ولي تأثير فاصله بين تيغهها، بر دماي متوسط خروجي ميکروکانال کم ميباشد

واژههاي كليدي: ميکروکانال؛ ديناميک سيالهاي محاسباتي؛ انتقال گرما؛ نانو سيال؛ ناسلت.
KEYWORDS: Microchannels; Computational fluid dynamics; Heat transfer; Nanofluid; Nusselt.
مقدمه
از جمله ويژگي هاي فناوري ميکرو جريانها، کاهش هزينهها ،ميکرومخلوطکنها مهمترين جز سامانههاي ميکرو جريان هستند پايين آمدن ميزان مصرف مواد، امکان تحليل سريع ،بيشترين که براي همگنسازي واکنشگرها مورد نياز است ]2[. در سالهاي
توانايي عملياتي در استفاده به صورت موازي از ابزار ميکرو جريانها اخير در سامانههاي ميکروجريان به ويژه در دستگاهاي اشاره کرد ]1[. سامانههاي ميکرو جريان شامل ميکرو پمپها ،ميکرو الکترونيک به دليل نسبت سطح به حجم بالا موضوع ميکروکانالها، ميکرو دريچهها و ميکرو مخلوطکنها ميباشند. انتقال گرماي سريع و مؤثر اهميت زيادي پيدا کرده است. بنابراين

+E-mail: [email protected] عهده دار مکاتبات *
357
پژوهشهاي زيادي ]6–3[ بر روي انتقال گرما در ميکروکانالها متمرکز شده است .يک عامل مهم که در طراحي ميکروسيستمها به آن توجه ميشود ميزان توانايي خروج گرما از سامانه با شار بالا است ]7[.
ماده سردکننده مايع به طور گسترده براي جلوگيري از گرمايش بيش از حد اجزاي الکترونيکي و مدارها مورد استفاده قرار ميگيرد. در سالهاي اخير، مديريت گرماي دستگاه ميکروالکترونيک قدرت بالا در فضاي و حجم به نسبت کوچک، به يک زمينه پژوهشي برجسته تبديل شده است. مبادله کننده ميکروکانال فشرده يک ابزار مؤثر براي دستيابي به نرخ انتقال گرماي بالا در اين سامانهها بهشمار ميروند ]12–8[. کانال کوچکتر به سبب ايجاد سطح به حجم بيشتر، سطح انتقال گرما بيشتري در واحد حجم کانال براي تماس با سيال و همچنين ضريبهاي انتقال گرماي بالاتري را باعث ميشوند. اما از سويي کوچکتر شدن اندازههاي کانال سبب افزايش افت فشار ميشود که پديده افت فشار به صورت نمايي با قطر هيدروليک ميکروکانال تغيير ميکند ]11[. با اين حال، انتقال گرماي مايعهاي معمولي مانند آب يا اتيلن گلايکول به دليل ويژگيهاي گرماي ضعيف ،ظرفيت انتقال گرماي محدودي دارند .لي و همکاران بررسي انتقال گرما را در ميکروکانالها با استفاده از مايعهاي معمولي گزارش کردهاند ]11،13[. در بيشتر پژوهشهاي پيشين ]17–11[، سيالاتي با هدايت گرمايي پايين مانند هوا يا آب به منظور مطالعه جريان سيال درميکروکانالها به کار گرفته شدهاند. انتقال گرماي جريان سيال محدود به ويژگيهاي گرمايي سيال ميباشد. با اين حال، تقاضا براي افزايش انتقال گرما در ميکروکانالها نيازمند بهبود ويژگيهاي گرمايي سيالها ميباشد .يکي از راه حلهاي ارايه شده براي اين مشکل استفاده از نانوسيالاتي با ويژگي هدايت
گرمايي بالا مانند 3Al2O و Cu و CuO است. در طول دو دهه گذشته، دانشمندان و پژوهشگران تلاش کردهاند که نانوسيالهايي را توسعه دهند، که ميتوانند کارکرد سرمايشي و گرمايشي بهتري را براي انواع سامانههاي گرمايي در مقايسه با انتقال گرماي سيالهاي مرسوم ارايه دهند. تعداد زيادي مطالعههاي تجربي و نظري ]22–18[ يافت شده است که نانو سيالها با توانايي و هدايت گرمايي بالا موجب افزايش انتقال گرما ميشوند.
تلاش زيادي براي بررسي هدايت گرمايي مؤثر نانوسيالها و گرانروي ديناميکي مؤثر براي پيش بيني هدايت گرمايي و
-4305225884

گرانروي ديناميکي نانوسيال انجام شده است ]23[. در تعداد چشمگيري از پژوهشها افزايش انتقال گرما با افزايش غلظت نانوذرهها به دليل افزايش هدايت گرمايي نانو سيال گزارش شده است ]21،21[.
جريان ميکروکانالها، با توجه به سرعت جريان بسيار کم ، با عدد رينولدز بسيار پايين مشخص ميشوند. با توجه به اينکه جريان به طور عمده آرام است، رسيدن به اختلاط مؤثر سيالات ،دشوار است. پديده غالب در اختلاط، مکانيسم نفوذ ميباشد .
از اين رو اختلاط ميکروسيالها يک مسئله بسيار چالش برانگيز است زيرا نياز به اختلاط سريع و مؤثر سيالها با نفوذ پايين دارد ]26[. در ميکروميکسرهاي منفعل، ساختار مانعي شکلي در مسير ميکروکانال قرار داده ميشود و از طريق تقسيم، کشش، شکستن و تاشو شدن جريان سيال، اثر جابهجايي سيال افزايش مييابد ]27[.
به تازگي، استفاده از نانوسيال ]32–28[ در ميکروکانالها در ميان پژوهشگران توجه زيادي را به خود جلب کرده است .چانگ و چوي ]33[ و چين و هوانگ ]31[ عملکرد گرمايي جريان نانوسيال در ميکروکانالها با نانوسيالهاي گوناگون از جمله آب ـ مس اکسيد و آب ـ آلومينيم اکسيد را به صورت تجربي مورد مطالعه قرار دادند.
عملکرد گرمايي در ميکروکانالها با استفاده از نانوسيال آب ـ مس اکسيد بر اساس مدلهاي گوناگون براي هدايت گرمايي مؤثر به صورت شبيه سازي عددي توسط لي و همکاران ]31[ بررسي شده است. در اين مطالعه از رژيم جريان بدون لغزش در پژوهش هاي عددي استفاده شده است .ژوان و لي ]21[ به صورت تجربي انتقال گرماي جابهجايي در رژيم آشفته را در يک جريان تک فاز نانوسيال آب ـ مس را در لوله اي به قطر داخلي 11 ميلي متر و طول 811 ميلي متر با اعمال شار گرمايي ثابت از روي سطح لوله بررسي کرده است .هان ]36[ آزمايشي به منظور بررسي اثر شکل زبري کانال در انتقال گرما و ويژگيهاي جريان سيال در لوله مستطيل انجام دادهاند .يکي از راههاي افزايش انتقال گرما، تيغه)1( ميباشد .چانگ و همکاران ]37[ ميکروميکسر منفعل که شامل تيغههايي با آرايشهاي گوناگون را طراحي و ساخته و شبيه سازي کردهاند.
اثز تيغهها با توجه به تعداد و فاصله آن و ارتفاع تيغه در ميکروکانالها بسيار چشمگير ميباشد. به طوري که در پژوهشها همهي اين شرايط به طور همزمان بررسي نشده است. هدف اين پژوهش، شبيه سازي دو بعدي جريان و انتقال گرماي
)0( Baffle
353 پژوهشي
214916486

شكل 3ـ هندسه شبيهسازي شده با شش تيغه.

نانو سيال آب ـ آلومينيم اکسيد در ميکروکانالها با استفاده از ديناميک سيالهاي محاسباتي CFD ميباشد. تأثير پارامترهاي گوناگون هندسي و شرايط جريان از جمله آرايش گوناگون تيغه و ارتفاع و فاصله بين تيغهها و رينولدزجريان و کسر حجمي نانو ذرهها مورد بررسي قرار گرفته است.

معادلههاي حاکم
در شکل 1 پيکربندي هندسي ميکروکانال مورد مطالعه نشان داده شده است. ميکروکانال با مقطع مربعي )L×L( شامل دو صفحه موازي با فاصله L و طول S= 13L است. تيغهها با ارتفاع 1e در داخل کانال قرار گرفته است. به ترتيب فاصله تيغه اول و دوم از ابتدا کانال 1sb و 2sb ميباشد. تيغه به صورت آدياباتيک و با ضخامت صفر در شبيه سازي عددي فرض شده است.
در اين پژوهش تأثير وجود نانو سيال آب ـ آلومينيم اکسيد در انتقال گرماي ميکروکانالها بررسي شده است. ساختار و ويژگي هاي ماژول ميکروکانال نيز در جدول 1 آورده شده است.
در ميکروکانالها که طول مشخصه کانالهاي آن در بازهي ميکرومتر است از معادله پيوستگي استفاده ميشود. سيال در کل فضاي مدل پيوسته در نظر گرفته ميشود. در اين مدل، پديدههاي انتقال توسط مجموعه اي از معادلههاي پيوستگي و مومنتم و انرژي قابل توصيف است. پس از حل معادلات، پروفيلهاي سرعت و فشار و دما قابل تعيين هستند. ذرهها بسيار ريز )زير 111 نانو متر( و هيچ سرعت لغزشي بين فاز ناپيوسته داراي نانو ذرهها و فاز مايع پيوسته نميباشد. مخلوط نانو ذرهها ـ مايع به عنوان مايع خالص تک فاز در نظر گرفته شده است. همچنين ،ويژگيهاي فيزيکي نانو سيال ثابت فرض شده است و در حالت مرجع که مربوط به درجه گرماي ورودي سيال ميباشد مورد بررسي قرار گرفته است .با اين شرايط معادلههاي حاکم بر فرايند نوشته شده است. فرضيههاي مدل عبارتنداز: جريان به صورت يکنواخت )پايا( و رژيم جريان نانو سيال آرام فرض شده است .جريان سيال ورودي ميکروکانال به صورت کاملاً توسعه يافته است .همچنين دما يکنواخت است. معادله پيوستگي، مومنتم در دو بعد) x,y( به صورت بدون بعد عبارتنداز ]38[:
27861-8602

1593921036778

UX  VY  )1( U UX V XV  XP  Re1 f nff nff X2U2  Y2U2  )2( U UX V XV  YP  Re1 f nff nff X2V2  Y2V2  )3( چگالي مخلوط سيال ρ و )m/s (بردار سرعت u که در اين جا گرانروي ديناميکي µ و )pa( فشار p و )kg/m3 (ما يع و نانوذره ميباشد. همچنين معادله گرما (kg/m.s) مخلوط سيال :در ميکروکانال به صورت زير است
17023845269

U X V Y  Re Pr ( C )f1 f (CP nfp f) kknff  X2 2   Y2 2 )1( پارامترهاي بدون بعد که در روابط بالا استفاده شده است
و V=v/vin و U=u/uin و Y=y/L و X=x/L به صورت است و رينولدز و P  p

f uin2 و  T Tw

Tin Tw Prf f Cpf

kf و Ref f u Lin

f پرانتل سيال به
ميباشد. معادلهها در نرم افزار کامسول به روش المان محدود حل ميشود .که Cp ظرفيت گرمايي (kJ/kg.K) و T دما (K) و
359
جدول 3ـ ويژگيهاي هندسه ميكروکانال شش تيغه مدلسازي شده.

اندازه

ويژگي
ها

L
13

کانال

طول

L

ورودي

مقطع
کانال

sb
1
L
=

فاصله
اول

تيغه

تا

کانال

ورودي

sb
2
=
3
L

ورودي

فاصله
دوم

تيغه

تا

کانال

2
L

تيغه

فاصله
از

ها
هم

e
1
=
1
/
66
L

تيغه

ارتفاع
ها

اندازه

ويژگي

ها

L



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید