SUPERVISOR
Ebrahim Shirani,Mohsen Saghafian
ابراهیم شیرانی چهارسوقی (استاد مشاور) محسن ثقفیان (استاد راهنما)
STUDENT
Ramazan Rajabi
رمضان رجبی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Numerical Simulation of Heat Transfer in Microchannels Considering Surface Roughness and Viscous Dissipation Effects
The recent developments in devices that certify the quality of life increases the significance of microchannel heat transfer and fluid flow. The biomedical applications and micro-heat-exchangers are some of the examples where basics of the microchannel heat transfer and fuid flow are necessary for a suitable design of these devices. In first part of this study numerical simulation of heat transfer in smooth microchannels and have been investigated. In smooth microchannel, viscous dissipation and axial conduction heat transfer have been considered. The Navier-Stokes and energy equations are developed using perturbation expansion. The governing equations are solved with second-order velocity slip and temperature jump boundary conditions. In this method we developed pressure, temperature and velocity with using perturbation expansion and different orders of equations depending on the magnitude of Knudsen number are obtained. Equations are solved using finite volume method (FVM) and SIMPLE algorithm are used to solve governing equations.The flow is assumed to be steady, laminar and incompressible with constant properties in microchannel. Both constant heat flux and constant wall temperature boundary conditions are investigated. With constant wall temperature boundary conditions in fully developed region Nu number with viscous dissipation is larger than Nu number without viscous dissipation. In addition fully developed Nu number does not depend to Br Number when Br number is not equal to zero.With constant heat flux boundary conditions and in fully developed region, when Br number positive (heating condition), Nu number decreases with Br number, But when Br number is negative (cooling condition), Nu number increases with Br number. Results show that the effects of viscous dissipation in microchannels can not neglect. Present work confirms that the perturbation method is capable to predict viscous dissipation effects and the results are in good agreement with other works, when Kn number is less than 0.1. So for high Kn number we should use more term in perturbation expantions. In second part of this study, fluid flow and heat transfer has been simulated in a rough microchannel. We use rectangular element between tow parallel plates. In rough microchanel the boundary conditions considering constant wall temperature. For rough microchannel the Poiseuille number and Nu number for gas slip flow evaluated. In rough michannel the effects of viscous dissipation is neglected and consider axial conduction heat transfer. We also investigate effect of roughness on velocity profile. The effects of roughnes high, space between elements of roughnes, length of roughness elements, Re number and Kn number on slip behavior of gas flow in microchannels are investigated. The results compared with a smooth microchannel, the result show surface roughness elemets decreases boundary slip in wall of channels and cause average of Po number and Nu number increases and velocity profiles change. In rough microchannels and smooth microchannels Po number and Nu number both of them decreased as Kn number increases. In smooth microchannels if Re number increase the Po number and Nu number remains constand, but in rough microchannels increasing of Re number increases Po number and Nu number. In real simulation we should consider roughness surfaces and we can not neglect effects of roughness on fluid flow and heat transfer. Results show the perturbation method can predict effects of roughness on fluid flow and heat transfer and have good agreement with other works. Keywords: Heat transfer, slip-flow, micro-channel, roughness, viscous dissipation, perturbation expansion.
در این تحقیق با استفاده از بسط اختلالات و توسعه معادلات حاکم بر دینامیک سیال به وسیله این بسط، اثر اتلاف ویسکوزیته در جریان لغزشی در میکروکانال ها بررسی شده است. در کار حاضر جریان در حال توسعه هیدوردینامیکی و حرارتی در محدوده جریان آرام، به صورت دوبعدی، تراکم ناپذیر و پایدار و در محدوده جریان لغزشی در نظر گرفته شده است. معادلات ناویراستوکس و انرژی با شرایط مرزی مرتبه دو لغزش سرعت و پرش دما، حل شده است. با استفاده از بسط اختلالات، میدان سرعت، فشار و دما بدست می آید. الگوریتم مورد استفاده برای روش عددی، روش سیمپل است. مسئله در دو حالت شار حرارتی ثابت و دمای دیواره ثابت حل شده است. سیال در نظر گرفته شده، هوا و بین دو صفحه موازی در جریان است. از اثرات خزش گرمای نیز صرف شده است. در این مقاله اثر عدد بریکمن بر کاهش و افزایش عدد ناسلت در دو حالت دما ثابت و شار ثابت به خوبی مشاهده شده است. نتایج بدست آمده نشان داد که اثر اتلاف ویسکوزیته وابسته به شرایط مرزی است. در حالت شرط مرزی با شار حرارتی ثابت، در اعداد بریکمن مثبت باعث کاهش عدد ناسلت و در اعداد بریکمن منفی باعث افزایش ناسلت می شود. در هر دو حالت افزایش نودسن باعث کاهش عدد ناسلت می شود. با افزایش نودسن اثر غالب، اثرات رقت است. در حالت شرط مرزی با دیواره دما ثابت اثر اتلاف ویسکوز در حالت توسعه یافته مستقل از مقدار آن است. تغییرات عدد ناسلت وابسته به تغییرات عدد نودسن است. با افزایش عدد نودسن مقدار عدد ناسلت کاهش می یابد. همچنین با استفاده از بسط اختلالات، اثر زبری در میکروکانال ها بررسی شده است. زبری در نظر گرفته شده به صورت مستطیلی است. با استفاده از بسط اختلالات میدان سرعت، فشار و دما بدست آمده است. در حالت کانال زبر مسئله با شرط مرزی دمای دیواره ثابت حل شده است. سیال در نظر گرفته شده، هوا و بین دو صحفه موازی در جریان است. در حالت کانال زبر از اثرات خزش گرمای و اتلاف ویسکوز صرف شده است. همچنین به بررسی اثر زبری بر روی پروفیل جریان، عدد پواسل و انتقال حرارت در میکروکانال ها پرداخته شده است. نتایج نشان دهنده تغییر پروفیل سرعت و افزایش عدد پواسل با افزایش عدد رینولدز در میکروکانال زبر هستند. با افزایش عدد نودسن عدد پواسل کاهش پیدا می کند. همچنین زبری باعث تغییر ناسلت موضعی می شود. ناسلت میانگین نیز با افزایش ارتفاع زبری و کاهش فواصل زبری نیز افزایش پیدا می کند. همچنین افزایش عدد رینولدز، باعث افزایش عدد ناسلت می شود. نتایج بدست آمده نشان داد روش اختلالات قادر به پیشبینی رفتار جریان و انتقال حرارت در کانال زبر است. کلمات کلیدی: میکروکانال، جریان لغزشی، اتلاف ویسکوزیته ، زبری، انتقال حرارت