در این پروژه ابتدا روش های ساخت نانوسیال (نحوه پراکنده سازی نانوذرات در سیال) مطالعه می شود و تئوری های ارائه شده مربوط به خواص نانوسیالات اعم از لزجت و ضریب هدایت حرارتی مورد بررسی قرار می گیرد. با استفاده از تئوری های نانوسیال، معادلات حاکم بر جریان سیال و انتقال حرارت را مشخص نموده و سپس برای یک میکروکانال مستطیلی با دیواه ی موجدار شرایط مرزی تعیین می شوند. معادلات حاکم به همراه شرایط مرزی با روش عددی مناسب منفصل و حل می شوند و حالتهای مختلف شبیه سازی عددی می گردند. با استفاده از نتایج مدلسازی عددی با نرم افزار فلوئنت، نمودارهای دما، افت فشار، عدد ناسلت و بازده حرارتی میکروکانال برای طول و دامنه موجهای مختلف و درصدهای مختلف نانو سیال بررسی و مطالعه می شوند.

انتقال حرارت جابجایی آزاد با توجه به کار بردهای گسترده در صنایع مختلف و مزیت های متعددی که بر سایر تکنیکهای انتقال حرارتی دارد ، همواره مورد توجه محققین بوده است. از مزیت های سیستم های مبتنی بر جابجایی آزاد میتوان به سادگی ، هزینه های پایین ، قابلیت اطمینان بالا و عدم نیاز به نگهداری اشاره نمود. پژوهشگران در سالهای اخیر ، برای افزایش نرخ انتقال حرارت از روش های گوناگونی بهره گرفته اند. یکی از این روشها تعلیق نانو ذرات جامد فلزی و یا غیر فلزی در سیال پایه می باشد که اولین بار توسط چوی ارائه گردید پس از او نیز مطالعات متعدد تجربی و عددی در زمینه ی استفاده از نانو سیال ها در هندسه های متفاوت مانند لوله ها،حفره ها و ... انجام گرفته است. در این تحقیق انتقال حرارت جابجاییآزاد در حفره ی مربعی حاوی نانوسیال دارای صفحه ی دما ثابت منحنی شکل ، مورد بررسی قرار گرفته است. دیواره های افقی فوقانی وتحتانی حفره عایق بوده و دیواره های جانبی در دمای ثابت نگه داشته شده و دمای آنها از دمای صفحه منحنی شکل کمتر می باشد. با توجه به وجود هندسه ی متقارن میدان های دما و جریان الگوی متقارنی را نشان میدهند. نتایج حاصل ار حل عددی معادلات حاکم ، در محدوده ی متفاوتی از اعداد رایلی، طول، زاویه و موقعیت مکانی صفحه منحنی شکل، درصد حجمی نانو ذرات ، برای دو نانو ذره ی مس و اکسید آلومینیوم ودر غالب کانتورهای دما وجریان و نیز دیاگرامهای عدد ناسلت میانگین و موضعی ارائه شده است.عدد ناسلت میانگین با افرایش طول و زاویه صفحه ی منحنی شکل افزایش مییابد، این در حالی است که تغییر موقعیت مکانی صفحه منحنی شکل و انتقال آن به نیمه ی بالایی و یا پایینی حفره اثرات متفاوتی بر روی مقدار عدد ناسلت میانگین اعمال می کند. افزودن نانوذرات مس و اکسید آلومینیوم موجب افزایش نرخ انتقال حرارت نسبت به سیال پایه میشود اما این افزایش نرخ انتقال حرارت در اعداد رایلی پایین تر مشهودتر است.با افزایش درصد حجمی نانوذرات عدد ناسلت میانگین افرایش می یابد. مطابق انتظار بالاترین مقادیر عدد ناسلت مشاهده شده مربوط به نانو ذرات مس می باشد زیرا ضریب هدایت حرارتی نانوذرات مس از اکسید آلومینیوم بیشتر است. از سوی دیگر تفاوت موجود در عدد ناسلت مربوط به حفره ی حاوی نانو سیال آب ومس و حفره ی حاوی نانو سیال آب و اکسید آلومینیوم، در غلظت های بالای نانو ذرات، با وضوح بیشتری قابل مشاهده است.

چکیده در این پایان نامه به مطالعه عددی برای تعیین مکان بهینه منابع حرارتی شار ثابت بر روی دیوار یک محفظه با مرز متحرک حاوی نانوسیال با خواص متغیر پرداخته شده است. با انجام مطالعات تاثیر طول منبع حرارتی، عدد ریچاردسون و عدد گراشف بر مکان بهینه منابع حرارتی مورد ارزیابی قرار قرار گرفته است. بدین منظور ابتدا نحوه مدلسازی خواص فیزیکی نانوسیال با خواص متغیر مرور شده و سپس با در نظر گرفتن مدل تک فاز و سیال نیوتنی، معادلات دیفرانسیل و شرایط مرزی حاکم بر جریان نانوسیال و انتقال حرارت در هندسه مورد نظر تعیین شده اند. در ادامه با توجه به هندسه حل و شرایط مرزی کد کامپیوتری موجود اصلاح و آماده شده است. در برنامه کامپیوتری توسعه داده شده، روش حجم محدود برای شبکه غیر یکنواخت و الگوریتم سیمپلر برای کوپلینگ سرعت – فشار به کار رفته است. به منظور معتبرسازی برنامه کامپیوتری، نتایج حاصل از کار حاضر با نتایج مطالعات عددی انجام شده توسط محققین قبلی در شرایط حل مشابه مقایسه شده اند. با توجه به شرایط مسئله موردنظر در این پایان نامه، نتایج حاصل از شبیه سازی عددی میدان جریان و انتقال حرارت در شرایط مختلف با تغییرمکان منابع حرارتی، طول منابع حرارتی، عدد ریچاردسون، عدد گراشف و کسرحجمی نانوذرات برای نانوسیال آب- اکسیدآلومینیوم با خواص متغیر بررسی شده است. همچنین مقادیر عدد ناسلت متوسط روی منبع حرارتی برای نانوسیال در دو مدل خواص ثابت و خواص متغیر مقایسه شده است. مشخص شده است که با کاهش عدد ریچاردسون و افزایش عدد گراشف انتقال حرارت درون محفظه کاهش پیدا می کند. همچنین مکان بهینه منابع حرارتی با کاهش عدد ریچاردسون به سمت بالای دیوار قائم حرکت می کند و با افزایش عدد ریچاردسون مکان بهینه به سمت وسط دیوار عمودی جابجا می شود. با مجزا کردن منابع حرارتی در حالی که طول کلی آن ثابت باشد، انتقال حرارت درون محفظه افزایش می یابد که شدت این افزایش، با افزایش عدد گراشف و کاهش عدد ریچاردسون، کاهش می یابد. مشخص شده است که با افزایش کسر حجمی نانوذرات انتقال حرارت سراسری درون محفظه افزایش می یابد. همچنین با مقایسه ای که برای نانوسیال با خواص متغیر بر طبق مدل خانافر با خواص ثابت طبق مدل ماکسول و برینکمن صورت، مشخص شده که شدت افزایش عدد ناسلت متوسط با افزایش کسر حجمی برای نانوسیال با خواص متغیر کاهش می یابد. هچنین برای عدد ریچاردسون یک، مقادیر عدد ناسلت برای این دو مدل تقریبا" با هم برابر می باشد.

در این تحقیق میدان جریان و انتقال حرارت جابجایی اجباری نانوسیال آب- اکسید آلومینیوم در میکروکانال مستطیلی سه بعدی با شرایط مرزی لغزشی و پرش دمایی به طور عددی مورد بررسی قرار گرفته است. دیواره ی پایینی میکروکانال تحت شار حرارتی ثابت قرار داشته و سایر دیواره ها عایق می باشند، همچنین مدل به کار رفته جهت محاسبه ی ضریب هدایت حرارتی و لزجت دینامیکی نانوسیال، وابسته به دمای نانوسیال و اندازه ی قطر و کسر حجمی نانوذرات می باشد. معادلات ناویر- استوکس و انرژی با استفاده از روش حجم کنترل حل شده اند. از طرفی نیز، یک ضریب جابجایی- پخش اصلاح شده در سطح مشترک سیال و دیواره تعریف شده تا شرط مرزی پرش دمایی را ایجاد کند. شبیه سازی برای مقادیر مختلف عدد نادسن، ، ضریب شکل و کسر حجمی نانوذرات انجام شده و تأثیر پارامترهای ذکر شده بر میدان جریان و انتقال حرارت و اعداد ناسلت و پویسوله مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که با افزایش عدد نادسن، ضریب اصطکاک برای میکروکانال مربعی به میزان 42 درصد و برای جریان بین دو صفحه ی موازی 54 درصد در نسبت به جریان غیر لغزشی کاهش می یابد. از طرفی برای مقادیر پایین ، دمای متوسط سیال کمتر از حالت غیر لغزشی بوده و با افزایش انتقال حرارت کاهش می یابد؛ ولی با افزایش با گذشتن از مقدار خاصی، دمای متوسط سیال از حالت غیر لغزشی بیشتر شده و با افزایش عدد نادسن، عدد ناسلت افزایش می یابد. در محدوده ی پارامترهای بررسی شده، مشاهده می شود که عدد ناسلت توسعه یافته در اثر جریان لغزشی می تواند تا 13 درصد افزایش و یا 50 درصد کاهش داشته باشد. همچنین با افزایش کسر حجمی نانوذرات، عدد ناسلت به خصوص در ناحیه ی ورودی افزایش می یابد.

در این تحقیق میدان جریان و انتقال حرارت نانوسیال اکسیدآلومینیم – آب با فرض رفتار غیرنیوتنی مبتنی بر مطالعات تجربی مورد بررسی قرار گرفته است. ابتدا یافته های تجربی محققین در یک دهه اخیر در مورد رفتار نیوتنی یا غیرنیوتنـی نانوسیالات مختلف، مرور شده است. سپس به تفصیل انواع سیالات غیرنیوتنی و روابط حاکم بر آنها مورد بررسی قرارگرفته است. در ادامه به مدلسازی یک نانوسیال که رفتار غیرنیوتنی آن در آزمایشگاه به اثبات رسیده است پرداخته و میدان جریان و انتقال حرارت داخل یک محفظه مربعی به روش عددی محاسبه شده است. در انتها نتایج حاصل با حالتی که رفتار نانوسیال با فرض نیوتنی بدست آمده، مقایسه شده است. اطلاعات تجربی در مورد نانوسیال آب – اکسید الومینیم از کار هانگ و کیم در سال 2012 گرفته شده است. لزجت نانوسیال در ابتدا و به تدریج با افزایش نرخ برشی کاهش می یابد که این بیانگر رفتار غیرنیوتنی شبه پلاستیک است. برای سه مثال متفاوت با یکسان کردن شرایط آزمایش هانگ و کیم و تحقیق حاضر به بررسی اثر فرض سیال غیرنیوتنی روی پاسخ ها پرداخته شده است. ابتدا به بررسی جریان جابجایی طبیعی درون یک محفظه مربعی پرشده از نانوسیال پرداخته شده است. محدوده شدت برش در جریان جابجایی طبیعی خیلی کمتر از محدوده شدت برش در شرایط مرجع آزمایشگاهی بدست آمد، لذا جهت مطالعه جریانی با محدوده شدت برش هم مرتبه با کار فوق جریان های جابجایی ترکیبی و اجباری درون دو محفظه مربعی مطالعه شد. نتایج حاصل از حل عددی نشان می دهد مقدار عدد ناسلت متوسط نانوسیال غیرنیوتنی مفروض این تحقیق از حالتی که نانوسیال را نیوتنی درنظر گرفته شود پایین تر است. همچنین برای فرض نانوسیال غیرنیوتنی نیروی شناوری اغلب ناچیز و جابجایی اجباری بر جابجایی طبیعی مسلط است. با اضافه کردن نانوذرات، عدد ناسلت متوسط سیال غیرنیوتنی افزایش، اما در نانوسیال نیوتنی بسته به غالب بودن جابجایی طبیعـی یا اجباری در جریان بترتیب کاهش یا افزایـش خواهد یافت. از سوی دیگر در حالیکه در هر عدد گراشف ثابت، افزایش عدد رینولدز، میزان انتقال حرارت را برای هر دو فرض سیال نیوتنی یا غیرنیوتنی افزایش می دهد، در یک اختلاف دمای معین و یک عدد رینولدز ثابت افزایش عدد گراشف در سیال نیوتنی سبب زیاد شدن میزان انتقال حرارت شده اما در سیال غیرنیوتنی عکس این حالت اتفاق می افتد.

کنترل دمای خون خارج از بدن در مواردی مانند ابتلا به نارسایی های ریوی و اعمال جراحی قلب باز که برای تأمین اکسیژن مورد نیاز بدن بیمار، باید از ریه مصنوعی استفاده شود، به عنوان مهمترین پارامتر در کنترل دمای بدن مطرح می باشد. علاوه بر این با کنترل دمای بدن می توان میزان مصرف اکسیژن بدن را نیز کنترل کرد. از این رو برای تنظیم دمای بدن از مبدل حرارتی خون به عنوان بخشی از ریه مصنوعی استفاده می شود. شرایط فوق سبب افت حرارت و افت فشار در سامانه گردش خون می شود، بنابراین نیاز به سامانه های ارزیابی آزمایشگاهی کنترل و پایش پارامتر های انتقال حرارت ریه مصنوعی اهمیت ویژه ای یافته است. دستگاه ریه مصنوعی خارج از بدن برای اولین بار در کشور در مرکز پژوهشی فناوری-های نوین در مهندسی علوم زیستی دانشگاه تهران با استفاده از فناوری غشائی طراحی و ساخته شد. بدین منظور برای مطالعه شرایط بهینه انتقال حرارت در ریه مصنوعی، در این پژوهش با بهره گیری از امکانات موجود در کشور با توجه به استاندارد های جهانی در زمینه آزمایش مبدل های حرارتی ریه مصنوعی، سامانه آزمایشگاهی بررسی عملکرد حرارتی ریه مصنوعی خارج از بدن به روش پایش مستقیم برای کنترل و ارزیابی پارامتر های عملیاتی نظیر دبی، درجه حرارت و فشار، برای اولین بار با همکاری محققین این مرکز و دانشکده مکانیک دانشگاه کاشان طراحی و ساخته شده است. با استفاده از سامانه آزمایشی ساخته شده، مطالعه بر روی دو نوع مختلف از ریه های مصنوعی موجود با مبدل های حرارتی پلیمری و فلزی انجام شده است. نتایج نشان داده است که در هر دو مبدل حرارتی، با افزایش دبی سیال سرد (خون)، راندمان حرارتی کاهش یافته و با افزایش دبی سیال گرم (آب)، راندمان حرارتی افزایش می یابد. با افزایش دبی سیال های گرم و سرد، افت فشار در مسیر آنها افزایش می یابد. نرخ تغییرات راندمان حرارتی نیز با افزایش دبی سیال گرم کاهش یافته، در واقع با گذشتن دبی سیال گرم از حدی مشخص، تغییرات راندمان حرارتی ناچیز می شود. همچنین در شرایط یکسان، مقدار راندمان مبدل حرارتی پلیمری نسبت به مبدل فلزی بیشتر می باشد. میزان افت فشار نیز در مبدل حرارتی پلیمری، بیشتر از مبدل فلزی است.

در این تحقیق به مطالعه عددی میدان جریان و انتقال همزمان حرارت و جرم نانوسیال در یک محفظه مربعی با وجود یک چشمه حرارتی و جرمی (th, ch) بر دیواره چپ و یک چاه حرارتی و جرمی (tc, cc) بر دیواره راست پرداخته شده است. سایر قسمت ها آدیاباتیک هستند. با انجام مطالعات پارامتریک، تاثیر استفاده از نانوسیال بر انتقال حرارت و جرم مورد ارزیابی قرار گرفته است.