بررسی عددی و آزمایشگاهی جوشش جریانی مادون سرد نانوسیال

در این تحقیق اثر افزودن نانوذرات بر روی انتقال حرارت سیال پایه در رژیم های جریان اجباری تک فازی و جوشش جریانی به صورت عددی و آزمایشگاهی مورد مطالعه قرار گرفته است. جهت مطالعه بخش عددی از نرم افزار تجاری استفاده می شود و برای مطالعه تجربی دستگاهی بدین منظور ساخته می شود. در این دستگاه بررسی رژیم های مختف جریان و در زوایای مختلف لوله اصلی امکان پذیر می باشد. در تحقیق حاضر جریان رو به بالا و در جهت قائم مورد بررسی قرار گرفته است. در این کار ، شبیه سازی جوشش جریانی نانوسیال آلومینا انجام می شود. برای شبیه سازی فرایند جوشش از روش حجم محدود استفاده می شود. فرآیند جوشش به صورت دائم در نظر گرفته می شود. در این پژوهش برای شبیه سازی از مدل مخلوط استفاده شده است. برای تبدیل معادلات به معادلات جبری مدل آپویند درجه دو استفاده می شود. معادلات به صورت ضمنی خطی سازی می شوند. سرعت و فشار با استفاده از آلگوریتم سیمپل با یکدیگرکوپل می شوند .برای لحاظ تغییرات خصوصیات حرارتی از روابط تجربی شناخته شده استفاده می شود. از آنجایی که کمتر مطالعه دقیقی برای غلظت های پایین (کمتر از 1%) صورت گرفته است لذا غلظت های 1%، 2% و 4% در این تحقیق مد نظر قرار می گیرد تا امکان استفاده از روابط تجربی شناخته شده برای خصوصیات حرارتی نانوسیال وجود داشته باشد. برای مدل سازی اغتشاش از مدل k-? استفاده می شود. از آنجایی که این مدل تنها برای هسته جریان صادق می باشد، توزیع دما و سرعت در مجاورت دیواره با استفاده از توابع دیواره (روابط نیمه تجربی) بدست می آید. جهت بررسی صحت کار، پیش بینی های عددی با کارهای آزمایشگاهی گذشته مورد مقایسه قرار گرفته است که تطابق خوبی را نشان می داد. مشاهده شد که ضریب انتقال حرارت نانوسیال در فرآیند جوشش مادون سرد نسبت به آب خالص افزایش می یابد و با افزایش غلظت، بیشتر می شود. این افزایش در سرعت های ورودی بالا، پایین میباشد. از طرف دیگر، کاهش نرخ جرمی در جوشش جریانی مادون سرد می تواند باعث کاهش و یا افزایش ضریب انتقال حرارت بشود که به ترتیب بستگی به اثر غالب انتقال حرارت جابجایی و انتقال حرارت تبخیر دارد. در بخش آزمایشگاهی برای بررسی کامل فرآیند جوشش مادون سرد، در ابتدا جریال سیال تحت شارهای پایین مورد بررسی قرار گرفت (جریان اجباری تک فازی) و به تدریج با افزایش شار حرارتی، سیال وارد حوزه جوشش مادون سرد شد. در این بخش ضریب انتقال حرارت آب/تیتانیا تحت هر دو رژیم جریان تک فازی و جوشش جریانی مادون سرد در یک لوله قائم (جریان رو به بالا) و تحت غلظت های پایین اندازه گیری شد. برای بررسی اثر غلظت نانوذرات بر روی فرآیند جوشش، از غلظت های 1/0 ، 5/0 و 5/2 درصد حجمی tio2 استفاده شد (معیار محاسبه غلظت، دانسیته ظاهری می باشد). با غلظت 5/2 درصد، نانوسیال بیشتر از 6 ساعت پایداری بود. بدلیل اینکه در این تحقیق هدف مطالعه اثر نانوذرات بر روی انتقال حرارت سیال بود، لذا از هیچ نوع پایدار کنندهای برای پایداری نانوسیال استفاده نشد. نتایج با پیش بینی های روابط ارایه شده توسط سایر محققین برای جریان تک فازی حالت آرام و مغشوش تحت شرایط شار حرارتی ثابت و همچنین برای جوشش جریانی مادون سرد مورد مقایسه قرار گرفت که تطابق خوبی را نشان می داد. نتایج حاکی از آن است که که در ناحیه آرام ضریب انتقال حرارت نانوسیال نسبت به آب خالص افزایش می یابد. در مقابل در ناحیه جوشش مادون سرد، ضریب انتقال حرارت نانوسیال نسبت به آب خالص کمتر می شود و با افزایش غلظت نانوذرات، کاهش بیشتری می یابد. از طرف دیگر، اثر نانوذرات بر روی ضریب انتقال حرارت در ناحیه بدون جوشش کاهش می یابد زمانی که جوشش مادون سرد در ادامه لوله رخ می دهد. نتایج نشان می داد انتقال حرارت ناشی از رشد و جدایش حبابها ، علاوه بر خصوصیات سطح، در اثر حضور نانوذرات و همچنین در اثر تغییر خصوصیات سیال پایه تحت تاثیر قرار می گیرد.