بررسی تجربی و مدل سازی ریاضی پایداری نانوسیالات

STUDENT

DEGREE

YEAR

In this study was investigated stability of alumina-water nanofluid experimentally and theoretically. The UV-vis spectrum and dynamic light scattering methods was used in experimental studies. The feasibility of UV-vis spectrum method was evaluated to investigation of nanofluid stability. The effect of nanoparticles concentration, nanoclusters size and temperature in this method was studied. The results this method was compared with results of dynamics light scattering method. The size distribution, average size and zeta potential of nanoclusters was measured in dynamics light scattering method. In the experimental studies also the effect of nanoclustering on effective thermal conductivity of alumina-water nanofluid was investigated. The Eulerian-Eulerian two phase model was coupled with population balanced model to theoretically study of nanofluid stability. The effects of nanoparticles concentration, nanoclusters size, nanoclusters structure and temperature was investigated in clustering process of nanoparticles. The results of modeling was compared with dynamic light scattering experiments data. In this study also was investigated the effect of nanoclustering on convective heat transfer coefficient in laminar forced flow of circular duct. The effects of nanoparticles concentration, nanoclusters size, nanocluster structure and Brownian motion on convective heat transfer coefficient was studied. The results of UV-vis spectrum experiments shows that amount of absorbency depends on nanoclusters size in addition to nanoparticles concentration. The results show that amount of maximum absorbency approach to a constant value by increasing ultrasonic mixing time. The investigation of nanofluid stability along one month shows that the maximum absorbency more is reduced by increasing temperature and nanoparticle concentration. This is becuase of more enhancement of nanoclusters size. The results of the UV-vis spectrum method was approved by results of dynamic light scattering method. The results of dynamics light scattering experiments shows that board size distribution of nanoclusters becomes narrow and average nanoclusters size is decreased by increasing ultrasonic mixing time. The zeta potential of nanoclusters is increased by decreasing their sizes. The measuring results of effective nanofluid thermal conductivity show that effective thermal conductivity at first is reduced by decreasing nanoclusters and then is enhanced. This evidence the positive effects of nanoclustering and Brownian motion on effective nanofluid thermal conductivity. The results of the model were found to agree well with experimental data. The proposed model was found capable of predicting the size distribution and nanoclusters size through time and space. The results indicated that the size of nanoclusters increases over time with increasing nanoparticles concentration and temperature. It was found that clustering rate increases with decreasing the fractal dimension, while the settling velocity decreases. The results of modeling convective heat transfer coefficient showed relatively good agreement with the experimental data. The results showed that nanoparticles concentration, nanoclusters size and fractal structure have a significant effect on the heat transfer coefficient. The results show a significant effect of Brownian motion on convective heat transfer alumina-water nanofluid. The results showed convective heat transfer coefficient is increased with the decreasing nanoclusters size and fractal dimension. Keywords :Nanofluid · Stability, UV–vis spectrum, DLS, Thermal conductivity

در این رساله، پایداری نانوسیال آلومینا-آب بصورت تجربی و تئوری مورد بررسی قرار گرفته است. در بررسی تجربی ازروش های جذب طیفی نور فرابنفش و تفرق دینامیکی نور استفاده شد. در این مطالعه امکان پذیری روش جذب طیفی نور فرابنفش در بررسی پایداری نانوسیال مورد ارزیابی قرار گرفت. اثراندازه نانوخوشه ها، غلظت نانوذرات و دمای نانوسیال روی مقدار جذب نورفرابنفش بررسی شد. نتایج این روش با نتایج روش تفرق دینامیکی نور مقایسه گردید. در روش تفرق دینامیکی نور، پایداری نانوسیال از طریق اندازه گیری توزیع اندازه ، اندازه متوسط و زتاپتانسیل نانوخوشه ها بررسی گردید. در بررسی های تجربی اثر خوشه ای شدن نانوذرات روی هدایت حرارتی نانوسیال آلومینا-آب نیز مورد بررسی قرارگرفت. از مدل دو فازی اولرین-اولرین همراه با مدل موازنه جمعیتی اصلاح شده برای مدل سازی فرآیندخوشه ای شدن نانوذرات استفاده شد. در مدل موازنه جمعیتی، اثر برهمکنش های بین ذره ای، ساختار فراکتالی و ته نشینی آنها در نظر گرفته شد. اثر اندازه نانوخوشه ها، دما و غلظت نانوذرات روی فرآیند خوشه ای شدن مورد بررسی قرار گرفت. نتایج مدل سازی با داده های تجربی حاصل از آزمایش های تفرق دینامیکی نور مقایسه شد.همچنین در این مطالعه اثر خوشه ای شدن نانوذرات روی ضریب انتقال حرارت جابجایی در جریان آرام اجباری درون لوله مدل سازی گردید. اثر اندازه خوشه ها و ساختار آن و حرکت براونی حاصل از آنها در این مدل سازی در نظر گرفته شده است. بررسی نتایج تجربی پایداری باروش جذب طیفی نور فرابنفش نشان داد مقدار جذب نور فرابنفش علاوه بر غلظت نانوذرات به اندازه نانوخوشه ها هم بستگی دارد و مقدار ماکزیمم جذب با کاهش اندازه نانوخوشه ها ابتدا افزایش و سپس کاهش می یابد. همچنین نتایج نشان داد که با افزایش زمان اولتراسونیک، مقدار جذب به یک مقدار مشخصی میل می کند و با افزایش بیشتر زمان اولتراسونیک این مقدار تغییری نمی کند. بررسی های پایداری نانوسیال در طول زمان یک ماه با این روش نشان داد که مقدار ماکزیمم جذب با افزایش دما و غلظت کاهش بیشتری پیدا می کند که این نشان دهنده افزایش بیشتر اندازه نانوخوشه ها در این شرایط می باشد. نتایج روش تفرق دینامیکی نور نتایج این روش را تایید کرد و امکان پذیری آن در بررسی پایداری نانوسیال آلومینا-آب مشخص گردید. نتایج روش تفرق دینامیکی نور نشان دادکه توزیع گسترده اندازه نانوخوشه ای با افزایش زمان اولتراسونیک به یک توزیع باریک میل می کند که این توزیع با افزایش بیشتر زمان اولتراسونیک تغییری نمی کند. همچنین نتایج این روش نشان داد که با کاهش اندازه نانوخوشه ها، زتاپتانسیل آنها افزایش می یابد. بررسی پایداری نانوسیال با این روش در طی یک ماه نشان داد که افزایش غلظت نانوذرات و دمای نانوسیال باعث افزایش بیشتر اندازه نانوخوشه ها می شود. همچنین نتایج نشان داد که اگر اندازه نانوخوشه های اولیه موجود در سیستم بزرگتر باشند، رشد آنها بیشترمی شود. نتایج آزمایشات بررسی اثر خوشه ای شدن نانوذرات روی هدایت حرارتی موثر بیانگر این است که با کاهش اندازه نانوخوشه ها هدایت حرارتی ابتدا کاهش وسپس افزایش می یابد. نتایج این آزمایش بیانگر نقش مثبت خوشه ای شدن و حرکت براونی نانوذرات روی هدایت حرارتی نانوسیال می باشد. نتایج مدل سازی نشان داد که اگر در مدل موازنه جمعیتی عوامل برهمکنش بین ذره ای، ساختار فراکتالی و ته نشینی نانوخوشه ها را در نظر بگیریم، این مدل می تواند در مدل سازی پایداری نانوسیالات بکار رود. مدل پیشنهادی می تواند توزیع اندازه خوشه ها را به صورت تابعی از زمان و مکان پیش بینی کند. نتایج مدل سازی نشان داد که با افزایش غلظت و دما، سرعت خوشه ای شدن افزایش می یابد. بیشترین تغییرات اندازه متوسط نانوخوشه ها در دمای O C 45 و غلظت %3 حجمی از نانوذرات برابر با nm 124 وکمترین این تغییرات در دمای O C 15 و غلظت %1 حجمی از نانوذرات برابر با nm 6 اتفاق می افتد. همچنین با افزایش بعد فراکتالی، سرعت خوشه ای شدن کاهش می یابد. در دمای O C 35 و غلظت %3 حجمی از نانوذرات با بعد فراکتالی 2/2، افزایش اندازه نانوخوشه ها در طول یک ماه nm 10و با بعد فراکتالی 8/1 برابر با nm 75 می باشد نتایج نشان داد که با افزایش غلظت نانوذرات و کاهش اندازه نانوخوشه ها و بعد فراکتالی آنها، ضریب انتقال حرارت جابجایی افزایش می یابد. این ضریب می تواند حداکثر تا %72 افزایش یابد. نتایج مدل سازی بیانگر آن بود که حرکات براونی نانوخوشه ها و میکروجابجایی حاصل از آنها، نقش موثری روی افزایش ضریب انتقال حرارت جابجایی در نانوسیال آلومینا-آب دارد. کلمات کلیدی: نانوسیال؛ پایداری؛ خوشه ای شدن؛ هدایت حرارتی؛ ضریب انتقال حرارت جابجایی