بررسی عددی جریان و انتقال حرارت نانو سیال در میکرو کانال u شکل چرخان با سطوح آب گریز با شرایط مرزی لغزشی و پرش دمایی

STUDENT

DEGREE

YEAR

: In this work, the water water/Al2o3 nanofluid flow and heat transfer in a rotating U-shaped microchannel with a square cross-section is investigated numerically for Reynolds numbers of 200-1000. The surfaces of microchannel are assumed to be hydrophilic (no-slip flow) and hydrophobic (slip flow). Effects of slip flow, temperature jump and rotational speed in range of 0-300 rad/s are studied on the heat transfer, pressure drop and thermal performance coefficient. Various slip lengths between zero (no-slip) to 10 ?m are employed and their results are compared. It is observed that the effect of slip flow on the leading and trailing walls results are not the same order due to rotational effects. It is found that the slip flow augments the heat transfer relative to its no-slip value while the temperature jump reduces it. A relatively large reduction on the pressure drop and an improvement on the Nusselt number are found when the slip length increases from zero to 10?m. Moreover, when water is employed as a working flow, the thermal performance coefficient increases about 43 percent for lower Reynolds and 11 percent for larger Reynolds number employed with increasing rotational speed from zero to 300 rad/s. The influence of using water/Al2o3 nanofluid as a working fluid on the heat transfer enhancement and pressure drop is also studied in a U-shaped hydrophobic/ hydrophilic microchannel. It is found that the existence of the nanoparticles in the base fluid is provided a considerable improvement on the heat transfer that clearly increases with an increase of the particle concentration, Reynolds numbers and rotational speeds employed. Moreover, using nanofluids with volume concentration of 5% and increasing the Reynolds numbers from 200 to 1000 increases the pressure drop 2.5 times and seven times, respectively, while this increase is lower than 15% for increasing the rotational speed from zero to 300 rad/s. The flow of water/Al2o3 nanofluid improves the thermal performance coefficient in comparison with pure water in volume concentration of 0.5% and 2%, while it reduses for volume concentration of 5%. Although the water/Al2o3 nanofluid of 5% decreases about 15-18.5% (in Reynolds numbers of 200 to 1000 with 5?m slip length) the thermal performance coefficient due to providing a higher pressure drop, but it is recommended because it provides high heat transfer augmentation about 40% in comparison with pure water. Keywords: U-shaped microchannel; slip flow; temperature jump; rotational speed; slip length; thermal performance coefficient; hydrophilic; hydrophobic .

بررسی میکروکانال ها به‌عنوان یکی از کاربردی‌ترین ابزار انتقال سیالات در مقیاس های میکرو نانو از اهمیت بالایی برخوردار است. تفاوت بسیاری بین میکروکانال ها و کانال‌های معمولی وجود دارد. این تفاوت ها عمدتاً شامل اثرات لغزش سیال درسطح، اثرات پرش دمایی، اثرات کاهش عدد رینولدز (به دلیل ابعاد کوچک آن) و معادلات حاکم می باشد. از سوی دیگر میزان آبگریزی سطح میکروکانال می‌تواند اثرات محسوسی برافزایش میزان لغزش سیال در مرز دیواره ها داشته باشد. در تحقیق پیش رو میدان جریان و انتقال حرارت جابه‌جایی نانوسیال در یک کانال U شکل چرخان در ابعاد میکرو با فرض سطوح دیواره ی آبگریز به‌صورت عددی بررسی‌شده است. به دلیل ابعاد کوچک کانال، رژیم جریان از نوع آرام است و سیال به‌صورت تک‌فاز فرض شده است. در ابتدا مقدمه‌ای بر جریان و انتقال حرارت درون کانال‌ها و میکروکانال‌ها ارائه و چگونگی لغزش سیالات و پرش‌دمایی بررسی گردیده است. پژوهش‌ها و تحقیقات گذشته درزمینه‌ی میکروکانال‌های دورانی با شرایط مرزی لغزشی سیال و پرش‌دمایی و همچنین کارهای انجام‌شده درزمینه‌ی استفاده از نانوسیال مناسب ذکرشده است. روند شبیه‌سازی، معادلات حاکم و شرایط مرزی مناسب تشریح شده است. اعتبارسنجی نتایج با دو مرجع تجربی صورت گرفته است. همچنین جهت اطمینان از استقلال حل از شبکه، نتایج شبکه با ابعاد مختلف مقایسه و مناسب‌ترین شبکه انتخاب‌شده است. سپس با توجه به پژوهش‌های انجام‌شده‌ی گذشته درزمینه‌ی نانوسیال، آب-اکسید آلومینیوم به‌عنوان نانوسیال مناسب انتخاب شد. همچنین با توجه به اثر متقابل دو شرط مرزی لغزش و پرش‌دمایی و باهدف بررسی اهمیت هریک از این دو شرط، به‌صورت مرحله‌به‌مرحله ابتدا شرط مرزی لغزش و پس‌ازآن پرش‌دمایی به حل افزوده شد و مشخص شد که هردو شرط مرزی بر عملکرد حرارتی میکروکانال اثر محسوسی دارند. در بخش نتایج ابتدا بررسی پروفیل و کانتورهای دما و سرعت جریان آب در بخش‌های مختلف میکروکانال U شکل با سرعت‌های دورانی مختلف تحت شروط مرزی لغزش و پرش‌دمایی در اعداد رینولدز بین 200 تا 1000 مطالعه شده است. سپس پارامترهای موضعی و کلی انتقال حرارت و افت فشار و همچنین ضریب عملکرد حرارتی برای جریان آب خالص در میکروکانال U شکل بررسی‌شده است. نتایج این تحقیق نشان داد که دو بخش گذر ورودی و خم میکروکانال در مقایسه با گذر خروجی نقش مهم‌تری در انتقال حرارت کل میکروکانال U شکل دارند. همچنین درنتیجه‌ی اعمال شروط مرزی لغزش و پرش‌دمایی بهبود اندکی در انتقال حرارت اتفاق می‌افتد. از طرفی به دلیل کاهش محسوس افت فشار میکروکانال در اثر اعمال شرط مرزی لغزش، نهایتاً عملکرد حرارتی در مقایسه با شرایط عدم لغزش بهبود قابل توجهی می یابد. پس از بررسی نتایج جریان آب خالص، نتایج جریان نانوسیال آب-اکسید آلومنیوم همگن در غلظت های بین 5/0 تا 5 درصد ارائه و مقایسه ی آن با نتایج جریان آب خالص موردبحث و بررسی قرارگرفته است. نتایج این بخش از پژوهش نشان داد که استفاده از نانوسیال موجب افزایش هم‌زمان انتقال حرارت و افت فشار می شود. بررسی ضریب عملکرد حرارتی میکروکانال نشان داد که در صورت استفاده از نانوسیال در مقایسه با جریان آب خالص، ضریب عملکرد برای غلظت‌های 5/0 و 2 درصد افزایش، ولی در غلظت 5 درصد کاهش می یابد. لاکن با توجه به هدف اصلی استفاده از نانوسیالات در مسائل حرارتی که افزایش انتقال حرارت می باشد، استفاده از نانوسیال آب-اکسید آلومنیوم در غلظت های بالاتر از 2 درصد نیز بجای آب خالص پیشنهاد می گردد. کلمات کلیدی: میکروکانال U شکل دورانی (چرخان)، انتقال حرارت، ضریب عملکرد، جریان آرام، سرعت دورانی، شروط مرزی لغزش و پرش‌دمایی، طول لغزشی، نانوسیال، سطوح آبگریز و آبدوست