موضوع: بررسی عددی تاثیر آبگریزی سطح، نانوسیال، میدان الکتریکی و محور چرخش بر عملکرد حرارتی یک میکروکانال چرخان
ارائه دهنده: محمد قره خانی
استادان راهنما: آقای دکتر احمد سوهانکار اصفهانی
استادان مشاور: آقای دکتر محمد رضا سلیم پور
استادان داور: آقای دکتر محسن دوازده امامی و آقای دکتر محمد رضا توکلی
چکیده
در سال های اخیر با پیشرفت و توسعه ی تکنولوژی و نیاز صنعت به سیستم هایی با حجم کمتر و کارایی بالاتر، میکروکانال ها بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته اند. استفاده از هندسه U-شکل امکان کوچک‌سازی و موازی‌سازی جریان سیال را فراهم می‌کند. از این رو در گستره وسیعی از کاربرد‌های صنعتی و آزمایشگاهی از خنک‌کاری پره‌های توربین گازی تا سیستم های میکروفلوئیدیک از آن استفاده می‌شود. با توجه به ابعاد میکروکانال‌ها استفاده از روش‌های معمول برای کنترل جریان سیال امکان پذیر نمی‌باشد. لذا کنترل جریان سیال بوسیله میدان های خارجی نظیر میدان مغناطیسی و استفاده از بسترهای دوار به منظور اعمال نیروی گریز از مرکز از زمینه های موردعلاقه پژوهشگران است. در پژوهش حاضر به منظور انتخاب روش ترکیبی مناسب برای کنترل انتقال حرارت و جریان میکروکانال U-شکل، مشخصه‌های حرارتی و جریان میکروکانال تحت تاثیر حالت‌های دورانی و میدان‌های مغناطیسی منفرد و ترکیبی مختلف و تغییر پارامترهای مختلف از جمله عدد رینولدز، عدد هارتمن، کسر حجمی نانوذرات و سرعت دورانی و شرایط مرزی لغزش و عدم لغزش مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است. همچنین به منظور بررسی اثر جانمایی اعمال میدان مغناطیسی منفرد بر عملکرد حرارتی و افت فشار کل میکروکانال، از چهار آهنربای دائم مشابه، در 16 حالت مختلف، برای اعمال نیروی لورنتز بر جریان نانوسیال جاری در میکروکانال استفاده شده است. در پژوهش حاضر، طول مشخصه میکروکانال به‌طور قابل توجهی بیشتر از طول میانگین مسیر آزاد است. از این رو عدد نادسن در محدوده Kn <0.001
قرار می‌گیرد. بنابراین می‌توان از فرض پیوستار و معادلات ناویر-استوکس برای شبیه‌سازی انتقال‌حرارت و جریان سیال مورد نظر در این پژوهش استفاده کرد. در پژوهش عددی حاضر، برای حل معادلات حاکم و شبیه‌سازی جریان و انتقال حرارت نانوسیال از روش عددی حجم محدود در بستر نرم افزار انسیس فلوئنت استفاده شده است. جمله‌های چشمه اضافه شده حاصل از میدان مغناطیسی و شرط مرزی لغزش و پرش‌دمایی حاصل از دیواره آب‌گریز، به صورت تابع‌های تعریف شده توسط کاربر، در قالب برنامه‌های کمکی به انسیس فلوئنت معرفی می‌شوند. سیال کاری مورد استفاده در پژوهش حاضر نانوسیال آب-آلومینا با کسرحجمی‌های مختلف است. از دو روش مدل‌سازی برای شبیه‌سازی جریان و انتقال‌حرارت نانوسیال استفاده می‌شود. روش مدل تک‌فاز همگن، که در آن نانوسیال به صورت مخلوطی همگن از نانوذرات و سیال پایه مدل شده‌است و روش دوفازی مدل فاز گسسته، که در آن نانوذرات و سیال پایه به صورت فازهای جداگانه، برای حل مومنتوم و انتقال‌حرارت برای هرفاز استفاده می‌شود، مدل‌سازی می‌شوند. به منظور اعتبار سنجی روش پیشنهادی مدل تک‌فاز همگن و رابطه‌های مورد استفاده برای محاسبه خواص ترمو-فیزیکی نانوسیال، نتایج متناظر حاصل از مدل تک‌فاز همگن و مدل فاز گسسته تحت تاثیر تغییر پارامترهای مختلف مورد بررسی و مقایسه قرار می‌گیرد. بیشترین اختلاف مقادیر متناظر ضریب انتقال حرارت حاصل از مدل تک‌فاز همگن و مدل فاز گسسته 5.9 درصد است. از این رو با توجه به توانایی مدل تک‌فاز همگن در پیش‌بینی مشخصه‌های انتقال حرارت نانوسیال در محدوده قابل قبول و با توجه به هزینه محاسباتی بسیار کمتر آن در مقایسه با مدل فاز گسسته و همچنین تعداد و محدوده پارامترهای مسئله تحت بررسی، مدل تک‌فاز همگن برای شبیه‌سازی انتقال حرارت و جریان نانوسیال در ادامه پژوهش انتخاب شد. همچنین با استفاده از رابطه ضریب عملکرد حرارتی تاثیر افزایش اعداد هارتمن و رینولدز بر تغییرات عدد ناسلت کل و افت فشار کل به صورت همزمان بررسی و مقایسه شد. در ادامه ملاحظه شد رابطه ضریب عملکرد حرارتی به تنهایی ملاک مناسبی برای ارزیابی کارآمدی میکروکانال ساکن تحت تاثیر میدان‌های مغناطیسی منفرد و ساکن نیست. از این رو از پارامترهای نسبی توان حرارتی جذب شده از دیواره‌ها به توان مورد نیاز برای پمپاژ سیال و تغییر عدد ناسلت کل نسبت به حالت عدم حضور میدان به طور همزمان برای مقایسه و ارزیابی عملکرد حرارتی میکروکانال ساکن تحت تاثیر میدان‌های مغناطیسی منفرد و ترکیبی نیز استفاده شده است. با بررسی نتایج پژوهش حاضر ملاحظه می‌شود کنترل جریان سیال و انتخاب میدان مغناطیسی منفرد و ترکیبی و محور و راستای دوران می‌تواند نقش مهمی در عملکرد حرارتی میکروکانال ایفا کند، بطوریکه در محدوده مورد بررسی عدد ناسلت کل تحت تاثیر ترکیب میدان‌های مغناطیسی منفرد Bx و By در مقایسه با حالت ساکن و عدم حضور میدان 137.7 درصد افزایش می‌یابد. این در حالی است که با دوران پادساعتگرد و ساعتگرد حول محور مختصاتی Z عدد ناسلت کل در مقایسه با حالت ساکن و عدم حضور میدان می‌تواند حداکثر 161.4 درصد افزایش و یا 62.4 درصد کاهش یابد. همچنین ملاحظه می‌شود با جانمایی و چیدمان مناسب میدان مغناطیسی منفرد و تحت تاثیر قرار دادن تنها قسمتی از طول میکروکانال می‌توان ضمن افزایش عملکرد حرارتی میکروکانال، افت فشار کل را نیز به مقدار قابل ملاحظه‌ای کاهش داد. در انتها می‌توان انتظار داشت از یافته های این پژوهش بتوان در طراحی و ساخت سیستم‌های میکروفلوئیدیک استفاده کرد.
کلمات کلیدی: مگنتوهیدرودینامیک، میکروکانال U-شکل، کنترل جریان و انتقال حرارت، نانوسیال، مدل تک‌فاز همگن، مدل فاز گسسته، جانمایی میدان مغناطیسی، معیار ارزیابی عملکرد میکروکانال
