بررسی نظری، آزمایشگاهی و عددی مشخصه های انتقال حرارتی و هیدرودینامیکی نانوسیالات در جریان های مختلف

نانوسیال که عبارت است از پخش پایدار و یکنواخت ذرات در ابعاد نانو داخل سیال پایه، در سال های اخیر مورد توجه زیادی قرار گرفته است. خصوصیات حرارتی ویژه نانوسیالات، محققین زیادی را به بررسی میزان اثر آن ها بر بهبود مشخصه های انتقال حرارتی سیالات مرسوم، ترغیب نموده است. با وجود تلاش های زیاد در این زمینه، هنوز چالش های متعددی بر سر راه کاربرد انتقال حرارتی نانوسیالات وجود دارد، از جمله نحوه پایدار نمودن نانوسیالات، شناخت مکانیزم های انتقال حرارتی نانوسیالات و مدل سازی آن ها. در این پایان نامه به بررسی نظری، آزمایشگاهی و عددی مشخصه های انتقال حرارتی نانوسیالات مختلف پرداخته شده است. نانوسیالات cnt/آب و tio2/آب و ag/آب با غلظت ذرات مختلف ساخته شده و مورد بررسی آزمایشگاهی قرار گرفته اند. خصوصیات ترموفیزیکی این نانوسیالات شامل چگالی و لزجت دینامیکی اندازه گیری شده، و دستگاهی به منظور اندازه گیری ضریب هدایت حرارتی نانوسیالات طراحی و ساخته شده است. علاوه براین، مدل سازی این خصوصیات ترموفیزیکی موثر، مورد توجه قرار گرفته و روابطی نیز برای آن ها ارایه شده است. انتقال حرارت جابجایی و افت فشار نانوسیالات tio2/آب و ag/آب، در جریان داخل یک لوله مستقیم تحت شرایط شار حرارتی دیواره ثابت به صورت آزمایشگاهی مطالعه شده است. در بررسی های عددی، شبیه سازی جریان و انتقال حرارت نانوسیالات مختلف داخل لوله های مستقیم و خمیده و همچنین جریان بر روی یک مانع با در نظر گرفتن روش تک فاز انجام گرفته است. در انتها، ضریب هدایت حرارتی و ظرفیت حرارتی نانولوله های کربن به صورت تحلیلی مورد بررسی قرار گرفته و مدلی بر اساس فرض محیط پیوسته برای این خصوصیات ارایه گردیده است. نتایج اندازه گیری خصوصیات ترموفیزیکی نشان داد که نانوذرات باعث بهبود خصوصیات انتقال حرارتی سیالات می شوند. افزایش کسر حجمی نانوذرات، افزایش لزجت دینامیکی و ضریب هدایت حرارتی نانوسیالات را به همراه دارد، در حالی که افزایش دما باعث کاهش لزجت دینامیکی و افزایش ضریب هدایت حرارتی نانوسیالات می شود. همچنین، برای چگالی نانوسیالات می توان از رابطه کلاسیک موجود استفاده کرد، اما لزجت دینامیکی و ضریب هدایت حرارتی نانوسیالات مورد بررسی به کمک روابطی که دربرگیرنده پارامترهای موثر مختلفی مانند دما، کسر حجمی ذرات، قطر ذرات، خصوصیات ترموفیزیکی سیال پایه و ذرات و همچنین حرکات براونی ذرات هستند، مدل سازی شدند. نتایج حاضر نشان داد که افزایش ضریب هدایت حرارتی تنها دلیل و مکانیزم افزایش ضریب انتقال حرارت جابجایی در نانوسیالات نیست. در هر دو جریان داخلی و خارجی، غلظت، حرکات براونی و نسبت هندسی نانوذرات به همراه عدد رینولدز جریان، افزایش ضریب انتقال حرارت نانوسیالات را به همراه دارند در حالی که افزایش قطر نانوذرات تاثیر منفی بر انتقال حرارت دارد. همچنین مشخصه های انتقال حرارتی نانوسیالات به شدت تحت تاثیر نوع نانوذرات و سیال پایه می باشد. به طور کلی در جریان های داخلی روابط کلاسیک قادر به پیش گویی رفتار انتقال حرارتی نانوسیالات نمی باشد. اما توسعه مدل های مناسب برای خصوصیات ترموفیزیکی موثر بکار رفته در مدل های کلاسیک مذکور، توانایی این مدل ها را در مبحث نانوسیالات افزایش می دهد. همچنین با توجه به نتایج، در جریان های داخلی، بهبود خصوصیات انتقال حرارتی توسط نانوسیالات با افزایش قابل ملاحظه افت فشار همراه است که می تواند کاربرد نانوسیالات را با محدودیت مواجه کند.