بررسی کاربرد قانون دوم در تعیین حالت بهینه برای جریان آشفته و انتقال حرارت نانوسیال آب/اکسید آلومینیم در داخل لوله دارای سطح داخلی دندانه دار

امروزه با کوچک سازی بسیاری از صنایع، نیاز به افزایش انتقال حرارت در زمان کوتاه و بهینه برای خنک کاری اجتناب ناپذیر است. لذا به خنک کننده ای جدید و موثر نیاز می باشد. از این رو از نانوسیالات به عنوان یکی از روش های افزایش انتقال حرارت استفاده می شود. این سیال از افزودن ذرات جامد در اندازه های نانو، به سیال پایه حاصل می شود و به دلیل بالا بودن قابلیت هدایت گرمایی ذرات افزوده شده، قابلیت هدایت بیشتری نسبت به سیال پایه دارد. زبر کردن سطوح، نرخ انتقال حرارت را بوسیله ی کاهش مقاومت گرمایی نزدیک سطوح افزایش می دهد، که به خاطر افزایش آشفته تر کردن جریان است. اما افزایش افت فشار توسط دو روش استفاده از نانوسیالات و زبری سطوح، از معایب آن هاست. در این تحقیق به بررسی انتقال حرارت جابجایی اجباری جریان آشفته نانوسیال آب/ اکسید آلومینیم باکسرحجمی های مختلف در لوله همراه با زبری ( مستطیلی، ذوزنقه ای و نیم دایره ای ) با نسبت های زبری متفاوت پرداخته شده است و همچنین با تعریف عدد آنتروپی افزایشی سعی شده است موقعیت بهینه از نظر حرارت و افت فشار در جریان نانوسیال و لوله زبر بدست آید. رویکرد تک فاز برای مدل کردن نانو سیال و خصوصیات جریان در نظر گرفته شده است و همچنین از روش حجم محدود استفاده شده است. شرط شار حرارتی یکنواخت برای هر لوله زبر و نسبت زبری در دیواره اعمال شده است. نتایج استفاده از مدل های آشفتگی در اعتبار سنجی نشان می دهد که مدل k-? استاندارد و k-? rng با توابع دیواره بهبود یافته و مدل rsm دارای تطابق بیشتر نسبت به مدل های دیگر آشفتگی به نتایج آزمایشگاهی موجود برای جریان هوا دارد. بنابراین مدل k-? استاندارد با توابع دیواره بهبودیافته برای پیش بینی این جریان پیچیده انتخاب شده است. نتایج استفاده از نانوسیال آب/اکسید آلومینیم با کسر حجمی phi=0.01-0.05 در محدوده ی عدد re=10000-35000 نشان می دهندکه ضریب انتقال حرارت جابجایی متوسط با افزایش کسرحجمی و عدد رینولدز افزایش می یابد، به طوریکه برای کسر حجمی phi=0.03 ضریب انتقال حرارت جابجایی متوسط در حالت میانگین حدود 20 درصد افزایش می یابد. همین طور با بررسی توان پمپاژ نانوسیال مشخص شده است که توان پمپاژ نانوسیال با افزایش کسرحجمی و عدد رینولدز افزایش می یابد و بدین معناست که نانوسیالات نیاز به توان پمپاژ اضافی دارند و از معایب حضور نانوذرات در سیال پایه است. نتایج عددی بدست آمده نشان می دهند استفاده از دندانه (زبری) روی لوله، باعث افزایش نرخ انتقال حرارت و جریان نسبت به لوله صاف می گردند. با تغییر فاصله بین زبری ها، مشاهده شد که با افزایش تعداد زبری نرخ انتقال حرارت افزایش می یابد. با بررسی شرایط بهینه طراحی توسط مینیم سازی آنتروپی برای نسبت زبر ی های متفاوت مشخص شده است که نسبت زبری t/p=0.25 برای لوله زبر مستطیلی و نیم دایره ای و نسبت زبری t/p=0.33 برای لوله زبر ذوزنقه ای، نسبت زبری بهینه از نظر ترمودینامیکی است. همچنین کسرحجمی phi=0.05 (برای نانوذره اکسید آلومینیم) به عنوان کسرحجمی بهینه بدست آمده است.همین طور اثر اشکال مختلف زبری بر مقدار تولید آنتروپی در جریان و انتقال حرارت به تفصیل مورد بررسی قرار گرفته است. در حالت کلی با افزایش کسرحجمی نانوذره، عدد رینولدز و کاهش نسبت زبری (t/p)، عدد ناسلت و خصوصیات حرارتی افزایش می یابند و همین طور با افزایش کسرحجمی نانوذره و زبر کردن لوله که نتیجه ی کاهش t/p می باشد، افت فشار و توان پمپاژ افزایش می یابد.