Skip to main content
SUPERVISOR
محسن دوازده امامی (استاد مشاور) احمد سوهان کا راصفهانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Javad Zarepour ahmadabadi
جواد زارع پوراحمدآبادی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395

TITLE

Numerical study of heat transfer in a three-dimensional wavy microchannel with water/nanofluid flow and hydrophobic surfaces
The purpose of this study is to investigate the effects of wavy and hydrophobic surfaces and using water/nanofluid on the heat transfer and pressure drop. The volume fraction of the nanofluid is assumed to be 1, 3 and 5% while the slip length is considered 2.5, 5 and 10 percent of microchannel height. The heights of the three-dimensional microchannels (2H) are also assumed as 60, 100, 150 and 200 ?m for Reynolds numbers of 150-700. Thermal boundary condition is a constant surface temperature on upper and lower walls. The length of microchannel is considered as 2120 ?m where the first and last 400 ?m are considered as input and output regions. The remaining 1320 ?m is corrugated using sinusoidal wave for the upper and lower walls. The wavelength of each microchannel and the wave amplitude are 220 ?m and 20 % of microchannel height, respectively. In this study, the properties of fluid are constant and the fluid flow is single phase and incompressible. All simulations are performed using the Ansys fluent (V16.2). The results show that the surface waviness increases the Nusselt number. In addition, using slip velocity and temperature jump decreases the pressure drop. The results also show in a three-dimensional microchannel (2H=200 ?m, Re=150), the pressure drop is increased 11% in compared with two-dimensional one, while the average Nusselt number has no meaningful changes. In a 2H=200 ?m and Re=400 microchannel and the slip boundary (10%) decreases the pressure drop about 25% and the Nusselt number increases 3.7% in comparison to case with no-slip condition. The maximum performance coefficient with the value of 1.3 is obtained for a microchannel with 2H=200 ?m, at Re=700 and a slip length of 20 ?m. Furthermore the pressure drop and the Nusselt number increase when nanofluid is employed. Overall, to analyze the performance of a thermal system, the combined effect of pressure drop and heat transfer rate should be considered. In all cases employed, this coefficient is greater than one, which show suitability of using nanofluid, although the value of increase in the performance coefficient rate are not the same for the different volume fractions. In design of a thermal system, using the nanofluid instead of water-based fluid is recommended, if the increase in heat transfer is more important than increasing the pressure drop. Although, using hydrophobic surface with nanofluid can reduce the pressure dro sharply. Keywords: numerical simulation, three-dimensional wavy microchannel, hydrophobic surfaces, nanofluid, thermal performance coefficien
هدف از این پژوهش بررسی تاثیر موج دار کردن، استفاده از شرایط مرزی لغزش و پرش دمایی و استفاده از سیال آب و نانوسیال آب-آلومینا با کسر حجمی 1، 3 و 5 درصد، روی انتقال حرارت جریان سیال در میکروکانال سه بعدی و مقایسه آن با حالت دوبعدی است. در این پژوهش، میکروکانال با ارتفاع ورودی (2H) 60، 100، 150 و 200 میکرومتر در محدوده ی اعداد رینولدز 150-700 (جریان آرام) با شرط مرزی عدم لغزش و لغزش با طول لغزش 5/2، 5 و 10 درصد ارتفاع میکروکانال و شرط مرزی حرارتی دمای سطح ثابت، به صورت عددی با استفاده از نرم افزار فلوئنت شبیه سازی شده است. طول میکروکانال 2120 میکرومتر است که 400 میکرومتر ابتدایی و انتهایی طول ناحیه ورودی و خروجی می باشد و ناحیه موج دار 1320 میکرومتر است که از موج سینوسی برای دیواره ی بالایی و پایینی استفاده شده است. طول موج برای هر میکروکانال 220 میکرومتر و ارتفاع موج 20 درصد ارتفاع میکروکانال (A w =0.2*2H) در نظر گرفته شده است. در این پژوهش خواص سیال ثابت، تراکم ناپذیر و جریان سیال تک فاز (همگن) فرض شده است. نتایج این پژوهش نشان می دهد به طور کلی، موج دار کردن دیواره میکروکانال باعث افزایش عدد ناسلت و افزایش افت فشار می شود و استفاده از شرایط مرزی لغزش سرعت و پرش دمایی باعث کاهش افت فشار می شود. در میکروکانال با ارتفاع 200 میکرومتر و عدد رینولدز 150، افت فشار در حالت سه بعدی نسبت به حالت دوبعدی، 11 درصد افزایش می یابد و متوسط عدد ناسلت تغییر زیادی ندارد. همچنین در میکروکانال با ارتفاع 200 میکرومتر و عدد رینولدز 400، اعمال شرط مرزی لغزش 10 درصد، باعث کاهش 25 درصدی افت فشار و افزایش 7/3 درصدی عدد ناسلت نسبت به حالت عدم لغزش می شود. بیشترین ضریب عملکرد به ازای انحنای سطح و اعمال شرط لغزش،در میکروکانال با ارتفاع 200 میکرومتر، عدد رینولدز700 و شرط لغزش 10 درصد اتفاق می افتد و مقدار آن 3/1 است. استفاده از نانوسیال نشان داد که افزایش کسر حجمی باعث افزایش افت فشار و عدد ناسلت می شود، به عنوان مثال در میکروکانال با ارتفاع 200 میکرومتر و عدد رینولدز 300، استفاده از نانوسیال با کسر حجمی 1، 3 و 5 درصد، به ترتیب باعث افزایش 11، 47 و 110 درصد افت فشار و افزایش 10، 17 و 28 درصد عدد ناسلت نسبت به سیال پایه می شود. به طور کلی در هر میکروکانال افزایش کسر حجمی از صفر تا 1 درصد، باعث افزایش ضریب عملکرد و بعد از آن باعث کاهش ضریب عملکرد می شود. به عنوان نمونه در میکروکانال با ارتفاع 60 میکرومتر بیشترین ضریب عملکرد به ازای استفاده از نانوسیال و لغزش 10 درصد مربوط به کسر حجمی 1 درصد و مقدار آن 2/1 در عدد رینولدز 150 است و کمترین ضریب عملکرد به ازای استفاده از نانوسیال مربوط به کسر حجمی 5 درصد و مقدار آن 08/1 در عدد رینولدز 700 است. در مجموع برای قضاوت در مورد عملکرد یک سیستم حرارتی، اثر توام افت فشار و میزان انتقال حرارت که در ضریب عملکرد وارد می شود باید درنظر گرفت که در همه حالات این ضریب بیشتر از یک است که بیانگر عملکرد مناسب استفاده از نانو سیال است اگرچه میزان افزایش ضریب عملکرد برای کسر حجمی مختلف، یکسان نیست. اگر در طراحی یک سیستم حرارتی، افزایش انتقال حرارت از اولویت مهمتری نسبت به افزایش افت فشار برخوردار باشد، استفاده از نانو سیال بجای سیال پایه آب توصیه می شود. البته استفاده از سطوح آبگریز در کاهش افت فشار موثر است و توصیه می شود. کلمات کلیدی: شبیه سازی عددی، میکروکانال سه بعدی، انحنای دیوار، سطوح آبگریز، نانوسیال، ضریب عملکرد

ارتقاء امنیت وب با وف بومی