Skip to main content
SUPERVISOR
Ahmad-Reza Azimian,Ebrahim Shirani
احمدرضا عظیمیان (استاد راهنما) ابراهیم شیرانی چهارسوقی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Mohammadamin Hajibabaee
محمدامین حاجی بابائی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1387

TITLE

Numerical Solution of Roughness Effect on Slip Flow Parameters in Micro Channel
In the present work the effect of surface roughness on laminar fluid flow in micro channels has been studied. According to value of the Knudsen number(0.1 Kn 0.01)continuum hypothesis is feasible and slip boundary condition is assumed. The Navier Stokes equations are solved numerically with the finite element method. According to the flow Mach number (Ma 0.3) and negligible temperature variation along the short length of the channel, incompressible fluid with constant density is assumed. Air is the working fluid inside the channel. Analytical and numerical results for velocity and poiseuille number of smooth channel have been compared and the error was less than 1% wich is acceptable. Roughness is modeled as a series of alternating barriers with triangular base geometry on two-dimensional channel walls. The effect of roughness height variation from one to six percent of channel height is examined. The roughness element bottom width variation from one to thirty times of roughness height is examined too. Also the distance variation between roughness elements from zero to about eight times of roughness width is examined. The roughness element top width variation from zero to a value equal to roughness bottom width is examined. These effects were studied on the slip and poiseuille number. Also the effect of varying roughness geometry from two dimensional to three dimensional is studied.The results show that prediction of slip and poiseuille number would have almost 100% and 27% errors respectively with variations of roughness parameters in a certain knudsen number. The result of all channels are studied and compared in the locally developed part of the flow. For a number of studied channels the Poiseuille number of developed parts have been compared with the developing part and about 38% error has been achieved. Many of real surfaces elements can be approximated with triangular elements, so we can predict these cases with the presents works result. But the real elements have different ratio of bottom width to height roughness elements, even in a one surface, so we should determine the average value of height and width and then according to this values, slip and poiseuille number are achieved from the present works result. The slip and poiseuille number prediction of some real surfaces are compared with the result of the numerical solution of these surfaces and utmost 10% error is achieved. Keywords Micro Channel, Roughness, Slip, Pressure Drop, Poiseuille, Knudsen.
در کار حاضر اثر زبری سطح بر جریان آرام سیال در میکروکانال مورد بررسی قرار گرفته است. جریان با توجه به مقدار عدد نودسن (1/0 Kn 01/0) پیوسته و با شرایط مرزی لغزشی در دیواره در نظر گرفته شده است. معادلات ناویر استوکس به صورت عددی و با روش حجم محدود حل شده اند. جریان با توجه به مقدار عدد ماخ (3/0 Ma ) و تغییرات ناچیز دما در طول کوتاه کانال، تراکم ناپذیر و با چگالی ثابت فرض شده است. از هوا به عنوان سیال داخل کانال استفاده شده است. نتایج حل‌های تحلیلی و عددی انجام شده در این پروژه، برای کانال بدون زبری با یکدیگر مقایسه شده اند و خطای قابل قبول کمتر از 1% برای عدد پوازیه و سرعت خط مرکزی جریان بدست آمده است. زبری به صورت یک سری موانع متناوب با هندسه پایه مثلثی، بر روی دیواره کانال دوبعدی مدل شده است. تاثیر تغییر ارتفاع زبری از یک تا شش درصد قطر کانال، تغییر پهنای المان از یک تا سی برابر ارتفاع المان، تغییر فاصله بین المان ها از صفر تا حدود هشت برابر پهنای المان و تغییر پهنای نوک المان از صفر تا پهنای قاعده المان بر روی لغزش و عدد پوازیه کانال مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین اثر تغییر المان دوبعدی به سه بعدی نیز مورد بررسی قرار گرفته است. تغییر پهنا و ارتفاع المان ها به صورت همزمان و برای المان مثلثی انجام شده است، به عبارت دیگر برای هر ارتفاع حالات مختلف پهنا نیز منظور شده است. در تغییر فاصله بین المان های زبری از یک المان مثلثی با ارتفاع و پهنای قاعده ثابت استفاده شده است. در تغییر پهنای نوک المان زبری از یک المان با پهنای قاعده و زبری نسبی ( Ra ) ثابت استفاده شده است و ارتفاع المان با توجه به تغییر المان از حالت مثلثی به ذوزنقه ای و سپس به مربعی و لزوم ثابت ماندن Ra ، تغییر می کند. در تغییر المان از حالت دوبعدی به سه بعدی، یک المان زبری مثلثی با ارتفاع، پهنای قاعده، پهنای نوک و فاصله مشخص در راستای z کشده شده است و یک زبری نواری شکل در جهت عمود بر جهت جریان ایجاد شده است. نمونه ای از سطوح واقعی با این نوع زبری نیز معرفی شده است. نتایج نشان می‌دهد تغییر این پارامتر های زبری می‌توانند پیش بینی لغزش و عدد پوازیه را در عدد نودسن مشخص به ترتیب تا حدود 100% و 27% با خطا روبرو کنند. نتایج کلیه حالات در قسمت توسعه یافته محلی کانال مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است. برای تعدادی از کانال های تحلیل شده مقدار عدد پوازیه کانال در قسمت در حال توسعه با قسمت توسعه یافته مقایسه شده است و حدود 38% اختلاف بدست آمده است. با توجه به این که بسیاری از پروفیل های سطوح واقعی را می توان با المان های مثلثی بدون فاصله تقریب زد، می توان پارامتر های جریان عبور کننده از روی سطوح واقعی را با استفاده از نتایج موجود پیش بینی کرد. اما با توجه به این که المان های مثلثی سطوح واقعی دارای نسبت های قاعده به ارتفاع و ارتفاع های مختلف، حتی در یک نمونه هستند، باید از ارتفاع و پهنای المان های آنها متوسط گیری کرد. سپس با توجه به مقادیر متوسط هندسی، لغزش و عدد پوازیه از روی نتایج موجود بدست می آید. نتایج پیش بینی چند نمونه سطح واقعی، با مقادیر بدست آمده از حل عددی مستقیم این سطوح واقعی، مقایسه شده و خطای کمتر از 10% بدست آمده است. کلمات کلیدی : میکروکانال، زبری، لغزش، افت فشار، پوازیه، نودسن.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی