در این تحقیق، جریان مغشوش یک نانوسیال غیرنیوتنی در یک میکروکانال با مقطع دایره­ای شبیه­سازی شده است. ابتدا انواع طبقه‌بندی میکروکانال­ها، روش­های ساخت میکروکانال­ها و همچنین مزایا و چالش­های استفاده از میکروکانال­ها بیان شده است. در ادامه مدل‌های مختلف در توصیف رفتار سیالات غیرنیوتنی و سپس مفهوم نانوسیال، نحوه تولید نانوذرات و تهیه نانوسیال، مدل‌های مختلف برای بیان خواص ترموفیزیکی نانوسیال­ها از قبیل چگالی، ضریب گرمایی ویژه، ضریب هدایت حرارتی و لزجت دینامیکی تشریح شده است. همچنین مدل‌های مناسب برای استفاده در این تحقیق انتخاب شده‌اند. با استفاده از نرم‌افزار CFX، معادلات بقای جرم، بقای مومنتم و بقای انرژی برای جریان مغشوش سیال غیرنیوتنی محلول آبی 5/0 درصد وزنی کربوکسی متیل سلولز و همچنین برای نانوسیال حاوی ذرات اکسید مس در سیال غیرنیوتنی مذکور حل شده است. میدان‌های سرعت، فشار و دمای نانوسیال­ها به دست آمده­اند و با تحلیل نتایج ضریب انتقال حرارت جابه­جایی و عدد ناسلت نانوسیال­ها محاسبه شده­اند. همچنین اثرات کسر حجمی یا غلظت نانوذرات، عدد رینولدز و قطر نانوذرات بر نتایج بررسی شده­اند که بیانگر افزایش ضریب انتقال حرارت جابه­جایی و عدد ناسلت با استفاده از نانوسیال غیرنیوتنی نسبت به سیال غیرنیوتنی پایه است. یک رابطه مستقیم بین این افزایش با کسرحجمی نانوذرات و عدد رینولدز وجود دارد. همچنین با کاهش قطر نانوذرات، ضریب انتقال حرارت جابه­جایی افزایش می‌یابد.
 
کلیدواژه‌ها: نانوسیال، سیال غیرنیوتنی، جریان درهم، عدد ناسلت
 
 

فهرست مطالب
عنوان 
صفحه
فهرست مطالب
ث
فهرست جدول­ها
ح
فهرست شکل­ها
د
فهرست علائم
ر
فصل اول- مقدمه و کلیات تحقیق
1
1-1 میکروکانال­ها
2
1-2 تغییر خاصیت رئولوژیکی سیال
3
1-3 مواد افزودنی به مایعات
3
1-4 میکروکانال­ها
4
1-4-1 چکیده
4
1-4-2 تاریخچه میکروکانال­­ها
4
1-4-3 معرفی میکروکانال­ها
5
1-4-4 طبقه‌بندی میکروکانال­ها و مینی­کانال­ها
6
1-4-5 مزایا و چالش­های میکروکانال­ها
7
1-4-6 روش‌های ساخت میکروکانال­ها
7
1-4-6-1 فناوری متداول
9
1-4-6-1-1 تغییر شکل میکرو
9
1-4-6-1-2 اره کردن میکرو (برش‌کاری میکرو)
9
1-4-6-2 تکنولوژی مدرن
10
1-4-6-2-1 MEMS (سیستم میکرو الکترومکانیک)
10
1-4-6-2-2 ماشین‌کاری میکرو لیزر
10
1-4-7 جریان تک فاز در میکروکانال­ها
10
1-4-8 روابط افت فشار
11
1-4-9 روابط انتقال حرارت
13
1-4-9-1 جریان مغشوش
13
1-4-10 کاربردهای میکروکانال­ها
13
1-5 سیالات غیر نیوتنی
14
1-5-1 طبقه‌بندی سیالات غیر نیوتنی
14
1-5-1-1 سیالات غیر نیوتنی مستقل از زمان
15
1-5-1-2 مدل قاعده توانی
16
1-5-1-3 مدل کراس
17
1-5-1-4 مدل کارئو
17
1-5-1-5 مدل الیس
18
1-5-1-6 سیالات غیر نیوتنی تابع زمان
18
1-5-1-7 سیالات ویسکوالاستیک
19
1-6 نانوسیالات
20
1-6-1 مفهوم نانوسیالات
20
1-6-2 مزایای نهان نانوسیال
/>22
1-6-3 تهیه نانوسیال
24
1-6-4 خواص ترموفیزیکی نانوسیالات
25
1-6-4-1 چگالی
26
1-6-4-2 گرمای ویژه
26
1-6-4-3 لزجت
26
1-6-4-4 ضریب هدایت حرارتی
28
1-6-5 فناوری نانو
34
1-6-6 تولید نانوذرات
35
1-6-6-1 فرآیندهای حالت بخار
36
1-6-6-2 فرآیند حالت مایع و حالت جامد
37
1-6-6-3 تولید نانوذرات با استفاده از روش سیال فوق بحرانی
38
1-6-7 نانولوله­ها
39
1-6-8 انتقال حرارت جابه­جایی در نانوسیالات
39
1-6-8-1 جابه­جایی اجباری در نانوسیالات
40
1-6-8-2 مدل‌های ریاضی تعیین ضریب انتقال حرارت جابه­جایی نانوسیالات
41
1-6-8-3 انتقال حرارت جابه­جایی طبیعی
45
1- 7 اغتشاش
45
1-7-1 مقدمه
45
1-7-2 ویژگی­های جریان اغتشاشی سیالات
47
1-7-3 مدل‌های اغتشاشی
48
1-7-3-1 مدل K-E
48
1-7-3-2 استفاده از تابع جریان در مدل K-E برای اعداد رینولدز بالا
49
1-7-3-3 مدل K-E در اعداد رینولدز پایین
50
1-7-3-4 مدل  RNG
50
1-7-3-5 مدل K-W
51
1-7-3-6 مدل تنش رینولدزی (RSM)
52
فصل دوم- مطالعات آزمایشگاهی، عددی و تئوریک
53
2-1 مقدمه
54
2-2 مطالعات آزمایشگاهی
54
2-3 مطالعات تئوریک
57
2-4 مطالعات عددی
61
فصل سوم- روش تحقیق
64
3-1 مقدمه
65
3-2 تشریح مسئله
65
3-3 تعیین خواص ترموفیزیکی نانوسیال
67
3-4 شبکه‌بندی و تعیین شرایط مرزی
69
فصل چهارم- نتایج
70
4-1 محاسبه خواص ترموفیزیکی نانوسیال
71
4-2 محاسبه ضریب انتقال حرارت جابه­جایی و عدد ناسلت
72
4-3 اعتبار سنجی
75
4-4 محاسبه ضریب انتقال حرارت جابه­جایی  و عدد ناسلت سیال غیرنیوتنی پایه
76
4-5 تأثیر غلظت نانوذرات بر ضریب انتقال حرارت جابه­جایی و عدد ناسلت
78
4-6 تأثیر اندازه نانوذرات بر ضریب انتقال حرارت جابه­جایی
83
4-7 تأثیر عدد رینولدز بر ضریب انتقال حرارت جابه­جایی نانوسیال و عدد ناسلت
86
فصل پنجم- نتیجه‌گیری و پیشنهادات
90
5-1 نتیجه‌گیری
91
5-2 پیشنهاد‌ات
91
منابع و مآخذ
93
Abstract
100
فهرست جدول­ها
عنوان
صفحه
جدول 1-1 روش‌های ساخت میکروکانال­ها
8
جدول 1-2 خلاصه‌ای از برخی از روش‌های ساخت میکروکانال­ها
8
جدول 1-3 مقادیر مشخصه جریان آرام در کانال‌های مدور و غیر مدور
12
جدول 1-4 مدل‌های لزجت برای نانوسیالات
28
جدول 1-5 تعیین متغیرb برای استفاده در رابطه (1-36)
31
جدول 1-6 تاریخچه مختصر از شخصیت­ها و نظریات تأثیرگذار
46
جدول 3-1 رینولدز بحرانی در میکروکانال­های مدور
66
جدول 4-1 خواص ترموفیزیکی محاسبه شده برای نانوسیال موردتحقیق
71
جدول 4-2 ضریب و اندیس قاعده توانی در غلظت‌های موردنظر
72
جدول 4-3 مقایسه عدد ناسلت میانگین سیال نیوتنی آب به دو روش در رینولدزهای متفاوت
76
جدول 4-4 مقایسه مقادیر ضریب انتقال حرارت جابه­جایی میانگین نانوسیالات حاوی ذرات اکسید مس به اندازه 30 نانومتر
78
جدول 4-5 مقایسه مقادیر ضریب انتقال حرارت جابه­جایی میانگین نانوسیالات حاوی ذرات اکسید مس به اندازه 60 نانومتر
79
جدول 4-6 مقایسه مقادیر ضریب انتقال حرارت جابه­جایی میانگین نانوسیالات حاوی ذرات اکسید مس به اندازه 90 نانومتر
80
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

فهرست شکل­ها
عنوان 
صفحه
شکل 1-1 ضریب هدایت حرارتی بعضی از مواد
21
شکل 3-1 دامنه حل و هندسه جریان
66
شکل 4-1 تغییرات دماهای دیواره و میانگین سیال غیرنیوتنی پایه در رینولدز 4500
73
شکل 4-2 تغییرات دماهای دیواره و میانگین نانوسیال غیرنیوتنی حاوی ذرات اکسید مس با درصد غلظت 3 و اندازه 60 نانومتر در رینولدز 4500
74
شکل 4-3 تغییرات دماهای دیواره و میانگین سیال غیرنیوتنی پایه و نانوسیال غیرنیوتنی در رینولدز 4500
74
شکل 4-4 تغییرات ضریب انتقال حرارت موضعی سیال غیرنیوتنی پایه در طول لوله و اثر عدد رینولدز
77
شکل 4-5 تغییرات عدد ناسلت موضعی سیال غیرنیوتنی پایه در سه رینولدز مختلف
77
شکل 4-6 اثر غلظت ذرات و عدد رینولدز بر ضریب انتقال حرارت جابه­جایی میانگین برای ذرات با اندازه 30 نانومتر
78
شکل 4-7 اثر غلظت ذرات و عدد رینولدز بر ضریب انتقال حرارت جابه­جایی میانگین برای ذرات با اندازه 60 نانومتر
79
شکل 4-8 اثر غلظت ذرات و عدد رینولدز بر ضریب انتقال حرارت جابه­جایی میانگین برای ذرات با اندازه 90 نانومتر
80
شکل 4-9 اثر غلظت ذرات و عدد رینولدز بر عدد ناسلت میانگین برای ذرات با اندازه 30 نانومتر
81
شکل 4-10 اثر غلظت ذرات و عدد رینولدز بر عدد ناسلت میانگین برای ذرات با اندازه 60 نانومتر
82
شکل 4-11 اثر غلظت ذرات و عدد رینولدز بر عدد ناسلت میانگین برای ذرات با اندازه 90 نانومتر
82
شکل 4-12 تغییرات ضریب انتقال حرارت جابه­جایی میانگین نسبت به تغییر اندازه نانوذرات در رینولدز 3000
84
شکل 4-13 تغییرات ضریب انتقال حرارت جابه­جایی میانگین نسبت به تغییر اندازه نانوذرات در رینولدز 4500
85
شکل 4-14 تغییرات ضریب انتقال حرارت جابه­جایی میانگین نسبت به تغییر اندازه نانوذرات در رینولدز 14700
85
شکل 4-15 اثر رینولدز بر ضریب انتقال حرارت جابه­جایی موضعی نانوسیال در غلظت 1 درصد حجمی ذرات و اندازه 30 نانومتر
86
شکل 4-16 اثر رینولدز بر ضریب انتقال حرارت جابه­جایی موضعی نانوسیال در غلظت 1 درصد حجمی ذرات و اندازه 60 نانومتر
87
شکل 4-17 اثر رینولدز بر ضریب انتقال حرارت جابه­جایی موضعی نانوسیال در غلظت 1 درصد حجمی ذرات و اندازه 90 نانومتر
87
شکل 4-18 اثر رینولدز بر عدد ناسلت موضعی نانوسیال در غلظت 1 درصد حجمی ذرات و اندازه 30 نانومتر
88
شکل 4-19 اثر رینولدز بر عدد ناسلت موضعی نانوسیال در غلظت 1 درصد حجمی ذرات و اندازه 60 نانومتر
88
شکل 4-20 اثر رینولدز بر عدد ناسلت موضعی نانوسیال در غلظت 1 درصد حجمی ذرات و اندازه 90 نانومتر
89
 
 
 
 
 
 
 
 
 
در چند دهه اخیر به‌منظور صرفه‌جویی در مصرف انرژی و مواد اولیه و با در نظر گرفتن مسائل اقتصادی و زیست‌محیطی تلاش­های زیادی برای ساخت دستگاه­های تبادل حرارت پربازده صورت پذیرفته است. هدف اصلی کاهش اندازه مبدل حرارتی موردنیاز برای یک بار حرارتی معین و افزایش ظرفیت مبدل­های حرارتی موجود می­باشد. تقاضای جهانی برای دستگاه­های تبادل حرارتی کارآمد، قابل‌اطمینان و اقتصادی مخصوصا در صنایع فرآیندی، تولید الکتریسیته، سیستم­های سرمایش و تهویه مطبوع، مبدل­های حرارتی، وسایل نقلیه و… به سرعت رو به افزایش است. اگر اصول مربوط به روش­های افزایش انتقال حرارت و طراحی دستگاه­های انتقال حرارت با سطح زیاد به‌خوبی شناخته شوند، امکان صرفه‌جویی در مصرف انرژی و کاهش آلودگی محیط‌زیست میسر خواهد بود. روش­های متعددی برای افزایش انتقال حرارت وجود دارند که به دو دسته کلی تقسیم می­شوند.

روش­های غیرفعال[1] که نیازی به اعمال نیروی خارجی ندارند.
روش­های فعال[2] که نیازمند نیرو با توان خارجی می­باشند.
روش­های غیرفعال شامل استفاده از سطوح گسترده، مبدل­های حرارتی فشرده، مجاری با مقطع غیر مدور، افزایش انتقال حرارت گردابه­ای[3]، تغییر خاصیت رئولوژیکی سیال، میکروکانال­ها، پوشش دهی و پرداخت سطح، استفاده از وسایل جابه‌جاشونده داخل مجرای سیال، استفاده از وسایل چرخاننده جریان، ایجاد انقطاع و شکستگی در جریان، لوله­های مارپیچی، مواد افزودنی به مایعات و گازها هستند. روش­های فعال شامل هم زدن مکانیکی، تراشیدن سطح، سطوح چرخنده، نوسان سطح، نوسان سیال، استفاده از میدان الکتریکی، تزریق و مکش می­باشند. در این مطالعه از روش­های غیرفعال شامل میکروکانال­ها، تغییر خاصیت رئولوژیکی سیال و مواد افزودنی به مایعات برای افزایش انتقال حرارت استفاده خواهد شد.
 
1-1 میکروکانال­ها[4]
میکروکانال­ها در صنایع و دستگاه­های متفاوتی نظیر سرمایش قطعات الکترونی، مبدل­های حرارتی میکروکانال، سرمایش و روانکاری سیستم­های روباتیک، سیستم­های میکروالکترومکانیکی و میکروراکتورها کاربرد دارند. با کوچک شدن اندازه مجرا، فرض پیوستگی جریان دقت خود را از دست می­دهد ولی برای مقدار معینی از اندازه مجرا این امکان وجود دارد که با اصلاح شرایط مرزی، معادلات ناویر استوکس را به کاربرد. [1].
 
1-2 تغییر خاصیت رئولوژیکی سیال
یکی از روش­های بسیار مؤثر در افزایش انتقال حرارت تغییر دادن خاصیت رئولوژیکی سیال است. با افزودن موادی خاص به سیالات مختلف می­توان خاصیت رئولوژیکی آن‌ها را از حالت نیوتنی به حالت شبه الاستیک یا ویسکوالاستیک تغییر داد. تغییر خاصیت رئولوژیکی سیال یکی از مهم‌ترین روش­های افزایش انتقال حرارت می­باشد چراکه همزمان با افزایش انتقال حرارت ضریب اصطکاک و درنتیجه افت فشار کاهش می­یابد.
 
1-3 مواد افزودنی به مایعات
افزودن ذرات جامد به‌صورت معلق در سیال پایه یکی از روش­های انتقال حرارت می­باشد. افزایش ضریب هدایت حرارت ایده اصلی در بهبود مشخصه­های انتقال حرارت سیالات است. ازآنجاکه ضریب هدایت حرارتی ذرات جامد معمولا خیلی بالاتر از سیالات می­باشد، انتظار می­رود افزودن این ذرات جامد موجب افزایش ضریب هدایت حرارت سیال پایه شود.
افزایش ضریب هدایتی حرارتی مایعات درنتیجه افزودن ذرات با اندازه میلی‌متر و میکرومتر بیش از 100 سال است که شناخته‌شده می­باشد. [2]. اما استفاده از این ذرات به دلیل مشکلات عملی نظیر ته‌نشین شدن سریع ذرات، ایجاد سایش شدید، افزایش افت فشار و عدم امکان استفاده از آن‌ها در مجاری بسیار ریز، میسر نیست. پیشرفت­های اخیر در فناوری مواد تولید ذرات با اندازه نانومتر (نانومواد) را که ­توان فائق آمدن بر این مشکلات را دارند فراهم آورده است. با پخش کردن این نانومواد در سیال نوع جدیدی از سیال به وجود می­آید که نانوسیال[5] نامیده می­شوند.
 
 
1-4 میکروکانال­ها
 
1-4-1 چکیده
تقاضای رو به رشد برای کوچک‌سازی محصولات در تمام بخش‌های صنعتی، با رقابت جهانی برای اطمینان بیشتر، سرعت بیشتر و محصولات مقرون‌به‌صرفه همراه شده است و منجر به چالش‌های جدیدی برای طراحی و بهره­برداری سیستم‌های مدیریت حرارتی شده است. افزایش سریع در تعداد ترانزیستورها بر روی تراشه، با افزایش قابلیت یا قدرت و درنتیجه شار حرارتی بالاتر، یکی از این چالش بزرگ در صنعت الکترونیک است. تکنولوژی­های مبدل حرارت و مبدل جرم میکروکانال در حال پیدا کردن کاربردهای جدید در صنایع گوناگون به‌عنوان یک راه­حل امیدوار­کننده برای تغییر تکنولوژی­ها است. در این راه ما نسل بعدی سیستم‌های مدیریت حرارتی با کارایی بالا را طراحی و راه‌اندازی می­کنیم. در این فصل با اصول میکروکانال­ها برخورد خواهیم کرد. با معرفی تاریخچه، زمینه‌های فنی، طبقه‌بندی، مزایا و معایب میکروکانال­ها شروع می­کنیم. روش ساخت (تکنولوژی متداول و تکنولوژی مدرن) برای میکروکانال­ها در کنار هم در نظر گرفته می­شود. در نهایت، ارتباط افت فشار و ضریب انتقال حرارت برای جریان تک فاز برای انواع شرایط جریان داخلی ارائه خواهد شد.
 
1-4-2 تاریخچه میکروکانال­­ها
کارهای زیادی برای انتقال حرارت تک فاز در میکروکانال‌ها توسط تاکرمن[6] و پیز[7] [3] برای خنک‌سازی مدارات یکپارچه در مقیاس بسیار بزرگ (VLSI)[8] انجام شد. در سال­های اول تاکرمن و پیز [3] اولین توضیح را برای بیان مفهوم چاه حرارتی میکروکانال دادند و پیش‌بینی کردند که خنک­کاری جابه‌جایی اجباری تک فاز در میکروکانال‌ها می‌تواند ۱۰۰۰ وات بر مترمربع حرارت را حذف کند. جابه‌جایی اجباری در کانال و تزریق مایع برای خنک کاری سریع‌تر و در مقیاس بزرگ‌تر در صنعت برای چند دهه استفاده شد. انتقال حرارت میکروکانال، در مقایسه با هوای معمولی و مایع سیستم­های سرد دارای ضریب انتقال حرارت بالا، همراه با پتانسیل بالا برای ضریب انتقال حرارت و افت فشار متوسط می­باشد. انتقال حرارت میکروکانال، به پدیده‌ای محبوب و جالب برای پژوهشگران تبدیل شده است. به‌عنوان مثال، برای خنک کاری چاه حرارتی میکروکانال باقدرت بالا با آرایش دیود لیزری حذف شار حرارت ۵۰۰ وات بر مترمربع اثبات شده است. در چند دهه گذشته، مطالعات انجام‌شده روی جریان دو فازی و ویژگی‌های انتقال حرارت در جریان میکروکانال، به توسعه سریع میکرو­دستگاه‌های مورد استفاده برای کاربردهای مهندسی مختلف مانند دستگاه‌های پزشکی، مبدل‌های حرارتی فشرده با شار حرارت بالا، خنک کاری میکروالکترونیک با چگالی قدرت، ابررایانه‌ها، پلاسما و لیزرهای قوی و … منجر شده است.
 
1-4-3 معرفی میکروکانال­ها
در اغلب موارد خنک­کاری موردنیاز بیش از ۱۰۰ وات بر مترمربع است که به‌راحتی نمی‌توان با سیستم­های ساده خنک­کاری هوا و یا خنک­کاری آب، خنک کاری را انجام داد. در بسیاری از کاربردها، به دلیل دفع شار حرارت بالا از اجزا، چاه حرارتی موردنیاز باید بزرگ‌تر از اجزای خود باشد. بااین‌وجود، نقاط داغ معمولا ظاهر می‌شود و سطوح غیریکنواخت شار حرارت در سطح چاه حرارتی مشاهده می­شود. محققان چاه حرارتی جدیدی را توسعه دادند که می‌تواند به‌طور مستقیم در پشت منبع حرارت برای حذف شار گرمایی یکنواخت جاسازی شود. از قانون سرمایش نیوتن می‌دانیم که برای یک اختلاف دما ثابت، شار گرما به حاصل hA بستگی دارد که در آن h ضریب انتقال حرارت است و A مساحت سطح انتقال حرارت است. بنابراین، در راستای تحقق نیاز به دفع شار حرارت بالا، حاصل hA افزایش می­یابد و ازآنجاکه ضریب انتقال حرارت h به قطر هیدرولیک مرتبط است، افزایش سطح نیز یک گزینه است. سطح انتقال حرارت را می‌توان با استفاده از میکروکانال‌ها در بدنه (سطح تراشه)، محصول افزایش داد. رفتار جریان آب در داخل کانال توسط قطر هیدرولیکی کانال و سطح مقطع کانال تعیین می­­شود. برای دست‌یابی به انتقال حرارت بالا، قطر هیدرولیکی کوچک‌تر و سطح انتقال حرارت بزرگ‌تر کانال ترجیح داده می‌شود، بنابراین کانال‌های متعدد تنگ با عمق بالا مناسب می‌باشد. قطر هیدرولیکی کوچک و سطح مقطع گسترده‌تر باعث افزایش افت فشار و درنتیجه نیاز قدرت پمپاژ بیشتر است. از سوی دیگر، افزایش سطح مقطع