مطالعه عددی و آزمایشگاهی بر روی انتقال حرارت جابجایی نانو سیالات درون ریزکانالها

دفع حرارت و کنترل دما در سیستم هایی با تولید شار حرارتی بالا در صنایعی همچون الکترونیک، هوافضا، نظامی و غیره دارای اهمیت حیاتی است. از سوی دیگر در دهه ی اخیر تلاش¬ها بر استفاده از سیالات نانو به عنوان سیال عامل در خنک کنندگی متمرکز بوده است. استفاده از جریان این سیالات می تواند کارآیی حرارتی میکروکانال¬ها را بهبود بخشد. در این پژوهش مطالعه و بررسی جابجایی جریان سیال نانو درون میکروکانال در دو بخش عددی و آزمایشگاهی انجام گرفته است. به علت وقت گیر و هزینه بر بودن مطالعات آزمایشگاهی پاره ای از عوامل موثر به صورت عددی مورد بررسی قرار گرفته اند. در این بخش دستگاه معادلات مشخصه دو بعدی برای جریان و بستر با توسعه یک کد محاسباتی بر اساس روش عددی حجم محدود گسسته و حل شده¬اند. تاثیر عواملی همچون عدد بریکمن جریان، ضخامت بستر میکروکانال، جنس میکروکانال مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج عددی با مقادیر آزمایشگاهی و تحلیلی موجود همخوانی مطلوبی را نشان می¬دهند. نتایج افزایش ضخامت میکروکانال را به تغییر شرایط حرارتی در مرز مشترک جامد-سیال ناشی از هدایت محوری بستر میکروکانال مرتبط می نماید. با در نظر گرفتن ضخامت بستر میکروکانال در محاسبات عددی، تغییرات محوری ضریب انتقال حرارت کاهش یافته است. افزایش کسر حجمی ذرات، ضریب انتقال حرارت جابجایی جریان را افزایش و هدایت محوری دیواره کانال را کاهش می دهد. در نتیجه شار حرارتی بر روی مرز جامد-سیال یکنواختی بیش تری خواهد داشت. استفاده از بستری با هدایت گرمایی بالا، بیشینه دما و مقاومت حرارتی میکروکانال را در نتیجه افزایش هدایت محوری کاهش می دهد. از طرف دیگر با ساخت یک دستگاه آزمایشگاهی به بررسی تجربی رفتار حرارتی و هیدرودینامیکی جریان نانو سیال حاوی نانو لوله¬های کربنی تک و چند دیواره پرداخته شده است. این دستگاه شامل قسمت های مختلفی جهت رانش سیال نانو درون 16 میکروکانال موازی با مقطع مربعی بر روی یک بستر مسی است. سیال نانو با توزیع نانو لوله¬های کربنی عامل دار تولید شده در پژوهشگاه صنعت نفت ساخته شده است. در این بخش ویسکوزیته و هدایت گرمایی نانو سیالات با ساختارهای کربنی در محدوده معینی از دما و درصد وزنی مدل شده¬اند. داده¬های آزمایشگاهی نشان می¬دهند که زبری¬های سطحی با ایجاد یک ویسکوزیته جریانی در کنار ویسکوزیته موثر سیال نانو، بر خلاف رفتار کانال¬های صاف باعث افزایش عدد پویزل در ناحیه توسعه یافته هیدرودینامیکی می¬شوند. از طرف دیگر در رینولدزهای پایین تاثیری زبری های سطحی بر روی عدد پویزل ناپدید شده و در این شرایط جریان درون میکروکانال های زبر همانند متناظر آن در میکروکانال¬های صاف عمل می¬کنند. افزایش عدد بدون بعد گراشوف می¬تواند باعث افزایش نیروهای شناوری جریان شده و در نتیجه اختلاط بیش تر به ویژه در نزدیکی دیواره زبر مقاطع میکرونی را به دنبال داشته باشد. به طور کلی در اعداد رینولدز پایین علیرغم افزایش ضریب انتقال حرارت با ورود ذرات نانو درون سیال پایه درصد وزنی و نوع ذرات تاثیری بر ضریب انتقال حرارت جابجایی ندارند. در مقابل در اعداد رینولدز بالاتر درصد وزنی و نوع ذرات توزیع شده در سیال پایه ضریب انتقال حرارت جابجایی جریان نانو سیال را تحت تاثیر قرار می دهد.