بررسی عددی جریان و انتقال حرارت نانوسیال در یک محفظه تهویه شده با چشمه داخلی

روند کوچک سازی قطعات مورد استفاده در صنایع گوناگون از جمله الکترونیک و اپتیک، با عاملی محدود کننده روبروست. این عامل محدود کننده همان چگالی فزاینده ی بار حرارتی تولیدی در این اجزاست که لزوم استفاده از فن آوری های پیشرفته ی خنک کاری را بیش از پیش آشکار می سازد. از این جهت، تلاش های زیادی برای بهبود انتقال حرارت از منابع تولید گرما صورت گرفته است. از آن جمله می توان به تولید نانوسیالات اشاره نمود که از پراکنده ساختن ذرات با ابعاد نانو در سیالات خنک کننده ی سنتی حاصل می شوند و امیدهای تازه ای را در بهبود خواص انتقال حرارتی سیالات خنک کننده ایجاد کرده اند. در تحقیق حاضر، جریان و انتقال حرارت جابجایی طبیعی ترکیبی در محفظه ی بسته و همچنین انتقال حرارت جابجایی مخلوط در محفظه ی در حال تهویه با حضور مانع داخلی و بدون حضور مانع داخلی بررسی شده است. درمسئله ی اصلی که جریان جابجایی مخلوط درون محفظه را بررسی می کند، دیواره ها آدیاباتیک بوده و سیال ورودی در دمای سرد فرض شده است. چشمه ی داخلی دارای شار ثابت حرارتی می باشد که در 9 موقعیت مختلف درون محفظه تغییر مکان می دهد. مدلسازی نانوسیال در این تحقیق به صورت تک فاز صورت گرفته است؛ لذا معادلات بقای جرم، مومنتوم و انرژی سیال خالص، با اعمال تغییرات مربوط به حضور نانوسیال، بی بعد شده و بوسیله ی روش حجم محدود گسسته سازی می گردد. به منظور کوپل کردن معادلات سرعت و فشار از الگوریتم سیمپلر استفاده شده و دستگاه معادلات جبری بدست آمده از گسسته سازی، به روش شبه گذرا حل می گردد. در این تحقیق، تاثیر پارامترهای 1) مکان جسم داخلی، 2) نرخ تولید حرارت (عدد گراشف)، 3) نرخ سیال ورودی (عدد رینولدز)، 4) غلظت نانوسیال، 5) نوع نانوسیال و 6) ابعاد جسم داخلی بر جریان و انتقال حرارت درون محفظه، بررسی گردیده و نتایج آن در قالب خطوط جریان، خطوط دماثابت، اعداد ناسلت متوسط و موضعی، توزیع دما و توزیع سرعت سیال گزارش شده است. از مطالعه ی نتایج بدست آمده برای محفظه ی در حال تهویه اینگونه بر می آید که حضور نانوذرات درون سیالات پایه در اغلب موارد باعث افزایش انتقال حرارت و در عین حال تضعیف جریان درون محفظه می گردد. با این وجود، به طور قطع نمی توان بهبود انتقال حرارت درون محفظه را در اثر استفاده از نانوسیال انتظار داشت؛ چرا که بسته به نوع جریان (جابجایی طبیعی یا مخلوط)، پارامترهای انتقال حرارتی (رایلی یا گراشف) و موقعیت قرار گرفتن منبع حرارتی در محفظه، استفاده از نانوسیال ممکن است حتی به نقصان انتقال حرارت نیز بیانجامد. به علاوه دیده شد که در جریان جابجایی مخلوط با حضور چشمه ی حرارتی داخلی، افزایش انتقال حرارت و یا کاهش آن در اثر افزایش رینولدز و گراشف، مستقیماً به محل استقرار منبع حرارتی بر می گردد؛ به نحوی که در بعضی حالات، افزایش رینولدز و گراشف با ایجاد جریان های ثانویه، مانع از حرکت بهینه ی سیال روی منبع حرارتی می گردد. بهترین موقعیت برای استقرار منبع حرارتی در محفظه از لحاظ دارا بودن کمترین مقادیر توزیع دما و بیشترین افزایش انتقال حرارت در اثر بکارگیری نانوسیال، گوشه ی سمت راست و بالای محفظه (نزدیک دهانه ی خروجی سیال) می باشد. همچنین در انتقال حرارت جابجایی طبیعی در محفظه ی بسته، استفاده از نانوسیال تنها در اعداد رایلی پایین به صرفه است و با افزایش رایلی تا بیش از 106، استفاده از نانوسیال اثر معکوس در بهبود انتقال حرارت دارد. از بین سه نانوسیالی که در این تحقیق استفاده شد، بهترین خواص حرارتی را به ترتیب، نانوسیالات آب-مس، آب-اکسید مس و آب-آلومینا از خود بروز دادند.