شبیه سازی جریان و انتقال حرارت نانوسیال ها در میکروکانال

در این پایان نامه جریان و انتقال حرارت نانوسیال های مختلف در درون میکروکانال هایی با ابعاد مختلف مورد بررسی قرار گرفت. همانطور که در بخش های قبلی اشاره شد، در عصر حاضر تمایل به سرعت های بالاتر در عملکرد پروسسورها و در نتیجه نیاز به سرمایش بیشتر قطعات الکترونیکی، تمایل به ابعاد کوچک تر را بیشتر کرده است. از طرفی استفاده از نانوسیال در صنایع مختلف منجر به بهبود در فرآیند انتقال حرارت شده است. برخی از محققان معتقدند ترکیب این دو تکنولوژی آینده دنیای الکترونیک را می سازد. در این پایان نامه جریان و انتقال حرارت نانوسیال در میکروکانال در دوبعد و سه بعد مورد ارزیابی قرار گرفته و اثر پارامترهای مختلف بررسی شد. بطور کلی نتایج بدست آمده را می توان به صورت زیر خلاصه کرد: 1- مقایسه و بررسی نتایج موجود در مقالات و همچنین مقایسه نتایج این پایان نامه با نتایج تجربی نشان دادند که معادلات حاکم بر جریان سیال در کانال هایی با ابعاد معمول می توانند برای جریان درون میکروکانال نیز مورد استفاده قرار بگیرند و بیشتر اثرات ابعادی که تا چندی قبل از آن ها بعنوان پدیده های ناشناخته در میکروکانال ها یاد می شد بیشتر حاصل کمبود دقت اندازه گیری دستگا ه ها و یا با اهمیت شدن پارامترهایی است که در کانال های معمول اهمیت چندانی ندارند. 2- تمامی نتایج حاکی از بهبود کارآیی حرارتی نانوسیال در مقایسه با سیال خالص است. البته در کنار بهبود حرارتی ناشی از این نانوذرات باید تنش برشی بیشتر یا بعبارتی توان پمپاژ مورد نیاز بیشتر نیز لحاظ شود. 3- نتایج، حاکی از اهمیت اثرات انتقال حرارت توأمان در میکروکانال ها است که با افزایش ضخامت ناحیه جامد، منجر به کاهش عدد ناسلت متوسط می شود. حضور نانوذرات، میزان تأثیر پذیری سیال از ناحیه جامد را تشدید کرده و در نسبت ضخامت ناحیه جامد به سیال کمتری، انتقال حرارت توأمان منجر به تغییرات محسوس در توزیع دما می شود. بعنوان مثال در رینولدز 50، در نانوسیال، در نسبت ارتفاع ناحیه جامد به سیال کمتری اثر انتقال حرارت توأمان حائز اهمیت می شود و مقدار این کاهش حدود 8% است که برای رینولدز 100 این مقدار به 6/13 % می رسد. 4- همچنین نتایج، حاکی از اهمیت جمله اتلاف لزجی در میکروکانال ها است که منجر به کاهش در عدد ناسلت می شود. با کاهش ابعاد کانال، این پارامتر قدرتمندتر شده و میزان کاهش نیز شدت می یابد، لذا کاهش بیشتر ابعاد از یک مقدار معین مفید نبوده و میزان بهبود در انتقال حرارت با اتلاف حرارتی جبران می شود. با افزودن نانوذرات، شدت اثر این جمله بیشتر شده و کاهش بیشتری در عدد ناسلت اتفاق می افتد. می توان نتیجه گرفت که حداقل ابعاد قابل دستیابی برای بهبود انتقال حرارت با نانوسیال بیشتر از مقدار متناظر برای سیال خالص است. در واقع، این پارامتر یک عامل بازدارنده در استفاده از نانوذرات در میکروکانال است. بعنوان مثال در جریان آب خالص در میکروکانال با قطر هیدرولیکی 50 میکرومتر ، جمله اتلاف لزجی باعث حدود 5/3 درصد کاهش عدد ناسلت می شود این در حالیست که در نانوسیال با کسر حجمی 3% این مقدار به 5% می رسد. مقدار افزایش دمای ایجاد شده در اثر جمله اتلاف لزجی در این میکروکانال با سیال آب خالص، حدود 1 درجه سانتیگراد است که در نانوسیال با کسر حجمی 3 و 5 درصد به ترتیب به 4/1 و 8/1 درجه سانتیگراد می رسد. 5- وابستگی خواص به دما در میکروکانال بسیار حائز اهمیت بوده و بررسی هر یک از پارامترهای فوق بدون در نظر گرفتن این پارامتر منجر به نتایج قابل استفاده ای نخواهد شد. 6- با استفاده از معادلات موجود برای مدل سازی نانوسیال، نتایج نشان دادند که وابستگی خواص به دما منجر به ایجاد یک عدد رینولدز بحرانی جدید می شود که در مقادیر کمتر از آن با افزایش عدد رینولدز عدد ناسلت متوسط کانال کاهش می یابد. این پارامتر نیز یک عامل بازدارنده از استفاده از نانوسیال در اعداد رینولدز پایین در میکروکانال است. البته نتایج بدست آمده به معادلات مربوط به لزجت دینامیکی و ضریب هدایت حرارتی، بخصوص مورد اول، وابستگی شدیدی دارد و برای تأیید آن نیاز به آزمایشات دقیق وجود دارد. 7- با بررسی مدل های مختلف برای تعین خواص نانوسیال، مشاهده شد که مدل هایی که بر اساس داده های تجربی استوار هستند و اثرات مختلف همانند قطر نانوذره و دما را در نظر می گیرند، به نتایج خیلی متفاوتی منجر نمی شوند. اما مدل های دیگر ممکن است به نتایج کاملاً متفاوتی منجر شوند. 8- با مقایسه سه مدل تک فاز، پخش و پراکندگی، مشاهده شد که نتایج دو مدل تک فاز و پراکندگی خیلی نزدیک به یکدیگر هستند و مدل پخش به اعداد ناسلت بزرگتری منجر می شود. زمان مورد نیاز برای حل معادلات در روش پخش تقریباً سه برابر می شود که با توجه به دقت قابل قبول نتایج تک فاز در مقایسه با نتایج تجربی، استفاده از مدل پخش چندان به صرفه نخواهد بود. البته در شرایطی که به دقت بالایی در بررسی پارامترها نیاز است، این مدل می تواند مفید باشد. 9- با اعمال شرط لغزش، مشاهده شد که انتقال حرارت به اندازه حدود 5/4 درصد بهبود یافت که مقدار نسبتاً قابل توجهی است و لذا این موضوع باید با دقت بیشتری در تحقیقات آتی ورد برسی قرار گیرد.