بررسی عددی جریان و انتقال حرارت در یک میکروکانال تحت تاثیر میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی

STUDENT

DEGREE

YEAR

Recently fluid flows and heat transfer in the micro and nano scales have been investigated. Last results have been great development. By mentioned developments, micro and nano systems usage have been significant increase. High pressure drop has a problem to micro flow driven. There are some different methods to improve the micro flows problem. External fields have been most useful because of some its benefits. In this study, two/three dimensional micro flow features and heat transfer are investigated. Developed fluid flow and steady state, with constant fluid properties to temperature are assumed. Flow and thermal boundary conditions are no-slip and constant heat flux, respectively. Fluid flow in microchannel is studied under the pressure drop and external electric and magnetic fields in some different directions. Governing equations with a numerical code are solved by the control volume method. Two dimensional numerical results indicate that the axial electric field (electroosmotic flow), increase the axial flow velocity. Transverse magnetic field existence increases the velocity of flow next to the boundaries, while the velocity profile at the center of microchannel becomes more flattend. On the other hand, increasing the velocity next to the channel sides has some effects on the mean temperatue and convection heat transfer rising. Then, it is concluded that the non-dimensional temperature and the Nusselt number are increased. In axial electric field existence, at the first applying the transverse magnetic field increases the flow velocity up to a certain value, while more than that the transverse magnetic field is reduced. This certain value is named ‘Critical Hartmann number’. The maximum flow rate accessible can be achieved in the ‘Critical Hartmann number’ with employing the transverse and the axial electric fields and also the transverse magnetic field. Moreover, the value of ‘Critical Hartmann number’ is reduded due to increasing the microchannel pressure drop. In high value of the transverse electric field ‘Critical Hartmann number’ differences relative to pressure drop is reduced and it can be riches to 1.5, approximately. As the rectangular cross-section area of microchannels are most useful, three dimensional fluid flow through the rectangular microchannel under the external different fields is investigated continuing the present study. Numerical results illustrate an increasing the axial velocity due to the axial electric field, similar to the 2D simulation. Also, a transverse flow through the microchannel cross-section is produced after the transverse electric augmentation. In the following, effect of the transverse magnetic field on the fluid flow through microchannel under the transverse and axial electric fields is studied for low value of the ‘Hartmann number’ (Ha?0.01). Consequently, axial flow velocity through the microchannel is increased due to transverse magnetic field augmentation. Keywords: microchannel, magnetic field, electric field, electroosmotic, heat transfer, critical Hartmann number, constant heat flux.

در سال‌های اخیر، مطالعه بر روی جریان و انتقال حرارت سیال در ابعاد میکرو و نانو به‌شدت رشد کرده و نتایج حاصل، پیشرفت های چشمگیری را در این زمینه نشان می دهد. با پیشرفت‌های صورت گرفته در روش‌های ساخت سیستم‌ها با ابعاد میکرو و نانو، استفاده از این سیستم‌ها افزایش چشم گیری یافته است. افت فشار زیاد، راندن سیال را در مقیاس میکرو، با مشکل مواجه می‌کند. برای غلبه بر معضلات موجود در مقیاس میکرو روش‌های مختلفی پیشنهاد شده است که از میان آن‌ها، استفاده از میدان‌های خارجی به علت مزایای فراوان ترجیح داده‌شده‌اند. در این پژوهش به بررسی ویژگی های جریان و انتقال حرارت سیال درون یک میکروکانال دوبعدی و سه بعدی پرداخته می شود. جریان توسعه یافته آرام، پایا و ثابت بودن خواص سیال نسبت به دما فرض های استفاده شده در این پژوهش است. از شرط مرزی عدم لغزش بر روی دیواره ها برای سرعت و شار حرارتی ثابت برای دما استفاده شده است. جریان سیال مورد بررسی تحت تاثیر اختلاف فشار و میدان های الکتریکی و مغناطیسی خارجی در جهت های مختلف قرار دارد. معادله های حاکم با استفاده از یک کد عددی و به روش حجم محدود حل شده اند. نتیجه های شبیه سازی های عددی توسط داده های تحلیلی و عددی منتشر شده، صحت سنجی شده اند. هم خوانی کمی و کیفی خوبی بین کار حاضر و داده های موجود از کارهای پیشین دیده شد. نتایج شبیه‌سازی‌های عددی در دوبعد نشان می‌دهد که وجود میدان الکتریکی محوری (جریان الکترواسموتیک) باعث افزایش سرعت محوری سیال می‌شود. وجود میدان مغناطیسی عرضی، باعث افزایش سرعت سیال در کنار دیواره‌ها و کاهش سرعت سیال در مرکز میکروکانال و به‌طورکلی باعث یکنواخت شدن پروفیل سرعت جریان سیال درون میکروکانال می‌شود. از طرفی این افزایش سرعت سیال کنار دیوار باعث افزایش انتقال حرارت جابجایی و دمای میانگین سیال می‌شود و درنتیجه باعث افزایش دمای بدون بعد و عدد ناسلت می‌شود. در حالتی که میدان الکتریکی محوری وجود داشته باشد اعمال میدان مغناطیسی عرضی باعث کاهش سرعت جریان می‌شود. در حالتی که میدان الکتریکی عرضی و محوری وجود داشته باشد اعمال میدان مغناطیسی عرضی تا مقدار خاصی باعث افزایش سرعت جریان و بعدازآن باعث کاهش سرعت جریان می‌شود که این مقدار خاص عدد هارتمن بحرانی نامیده شده است. باوجود میدان‌های الکتریکی عرضی و محوری و میدان مغناطیسی عرضی بیشترین دبی ممکن به ازای عدد هارتمن بحرانی به وجود می‌آید. با افزایش اختلاف فشار درون میکروکانال مقدار عدد هارتمن بحرانی کاهش می‌یابد. در مقادیر بالای میدان الکتریکی عرضی تغییرات عدد هارتمن بحرانی نسبت به اختلاف فشار کمتر می‌شود و مقدار آن نهایتاً به یک عدد خاص (حدوداً 50 / 1) میل می‌کند. ازآنجاکه سطح مقطع بیشتر میکروکانال‌های مورداستفاده مستطیلی شکل است در ادامه این پژوهش جریان سیال درون یک میکروکانال سه‌بعدی با سطح مقطع مربعی تحت تأثیر میدان‌های مختلف خارجی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج شبیه‌سازی‌های عددی در سه‌بعد نشان می‌دهد که در این حالت نیز مانند دوبعد اعمال میدان الکتریکی محوری باعث افزایش سرعت محوری جریان می‌شود. اعمال میدان الکتریکی عرضی باعث ایجاد یک جریان عرضی درون مقطع میکروکانال می‌شود که با افزایش مقدار این میدان عرضی، شدت جریان عرضی ایجادشده بیشتر می‌شود. در ادامه تأثیر میدان مغناطیسی عرضی بر سیال درون یک میکروکانالی که تحت تأثیر میدان‌های الکتریکی عرضی و محوری قرار دارد برای مقادیر پایین عدد هارتمن ( 0.01 Ha ) مورد بررسی قرار گرفته است. افزایش میدان مغناطیسی عرضی باعث افزایش سرعت محوری جریان درون میکروکانال می‌شود. کلمات کلیدی: میکروکانال، میدان مغناطیسی، میدان الکتریکی، الکترواسموتیک، انتقال حرارت، عدد هارتمن بحرانی، شار حرارتی ثابت