23760

بررسي عددي بكارگيري سطوح نانوساختار بر روي انتقال حرارت جابجايي مخلوط آب و اتيلن گليكول به روش ديناميك مولكولي

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك-سيستم محركه خودرو

1397

1399/11/29

دكتر محمد حسن شجاعي فرد

دكتر علي قاسميان مقدم

مهندسي خودرو

پديده انتقال گرما براي چندين زمينه مهندسي و صنعتي مورد نياز است، مانند نيروگاه‌ها، خنك¬كننده تراشه‌هاي الكترونيكي و موتورهاي احتراقي. بررسي اثرات نانوپوشش‌‌‌ها به علت ابعاد نانو يك پديده ميكروسكوپي مي باشد به همين علت محاسبه اين پوشش‌ها توسط نرم افزارها و كدهاي ديناميك سيالات محاسباتي امري غير ممكن مي¬باشد به همين علت بهترين روش استفاده از روش ديناميك مولكولي است. در سال‌هاي اخير سطوح با ابعاد ميكرو / نانو سازه‌ها به عنوان عامل مؤثر در افزايش بهره‌وري در انتقال حرارت شناخته شده است. يافته‌ها تفاوت ظرفيت انتقال حرارت ميان سطوح نانو ساختار يافته و سطوح معمولي را روشن مي‌كند. با توجه به بهره¬وري انتقال حرارت، موارد با سطوح نانوساختار، افزايش قابل توجهي از جريان گرما را با افزايش بيش از حد دما در ديواره در مقايسه با موارد سطوح ساده، نشان مي-دهد كه با نتايج آزمايشگاهي ماكروسكوپيك موجود قابل مقايسه است. بنابراين، مكانيزم انتقال حرارت همرفت نانو مقياس مي¬تواند توضيح اساسي بيشتري براي مشاهدات ماكروسكوپي ارائه دهد. يكي از خنك¬كننده‌هاي متداول در موتورهاي احتراق داخلي، مخلوط آب - اتيلن گليكول است. در اين پايان¬نامه، استفاده از پوشش نانوذرات جهت افزايش انتقال حرارت در بين سطح پايه و سيال خنك كن موتور انجام مي‌شود. در اين كار از شبيه¬سازي‌هاي ديناميك مولكولي كلاسيك براي بررسي خواص حرارتي بهره برده خواهد شد. نظر به كاربرد فراوان آلومينيوم و مس در قطعات موتور، جنس پايه سطح مورد استفاده آلومينيوم و مس خواهد بود. در اين پژوهش، استفاده از سيال آب و اتيلن گليكول بر روي سطح صاف و سطح با نانوسازه و بررسي نتايج آن در دماي اوليه سيال 300 كلوين و دماي اوليه سطح 400 كلوين و بررسي تغييرات دمايي سيال در طول زمان انجام شده است. استفاده از نانوساختارهاي مخروطي شكل در سطح پايه افزايش انتقال حرارت و افزايش دماي سيال را نشان مي¬دهد. با استفاده از ميدان نيرو OPLSAA سيال آب و اتيلن گليكول و با استفاده از ميدان نيروEAM سطوح مسي و آلومينيومي شبيه¬سازي را انجام داده و نتايج آن به صورت دما، انرژي جنبشي سيستم شبيه¬سازي، انرژي پتانسيل، انرژي كل و انرژي جنبشي سيال استخراج شد. در مقايسه نتايج دماي سيال در سطح صاف و سطح پايه به همراه نانوسازه‌هاي مخروطي، سيال در سطوح داراي نانوسازه دماي بالاتري نسبت به سطح صاف دارد. اين اختلاف دما درسطح صاف و سطح نانوسازه در هر گام زماني، به طور ميانگين در سطوح آلومينيومي 1/4 % و در سطوح مسي 4/2 % مي¬باشد.

1400/02/28

Numerical Investigation of Application of Nanostructured Surfaces on Convection Heat Transfer of Water and Ethylene Glycol Mixture by Molecular Dynamics

2/18/2022 12:00:00 AM

Heat transfer is required for several engineering and industrial fields, such as power plants, chip cooling, and combustion engines. Investigation of the effects of nano-coatings due to nano-dimensions is a microscopic phenomenon. Therefore, the calculation of these coatings by software and computational fluid dynamics codes is impossible. Therefore, the best method is to use the molecular dynamics method. In recent years, surfaces with micro / nanostructures dimensions have been recognized as an effective factor in increasing heat transfer efficiency. Findings shed light on the difference in heat transfer capacity between nanostructured surfaces and conventional surfaces. In terms of heat transfer efficiency, cases with nanostructured surfaces show a significant increase in heat flow with an excessive increase in wall temperature compared to cases with simple surfaces, which is comparable to existing macroscopic laboratory results. Therefore, the nanoscale convection heat transfer mechanism can provide a more basic explanation for macroscopic observations. One of the most common coolers in internal combustion engines is the water-ethylene glycol mixture. In this dissertation, nanoparticle coating is used to increase heat transfer between the base surface and the engine cooling fluid. In this work, classical molecular dynamics simulations will be used to investigate the thermal properties. Due to the abundant use of aluminum and copper in engine parts, the base material used will be aluminum and copper. The innovation of this work is the use of water fluid and ethylene glycol on a smooth surface and a surface with nanostructure and the study of its results at a temperature of 300 to 400 Kelvin. The use of conical nanostructures at the base surface shows an increase in heat transfer and an increase in fluid temperature. In this dissertation, using the OPLSAA force field of water fluid and ethylene glycol and using the EAM force field, copper and aluminum surfaces are simulated and the results are in the form of temperature, kinetic energy of the simulation system, potential energy, total energy and Fluid kinetic energy was extracted. In comparative diagrams of fluid temperature at the smooth surface and the base surface with conical nanostructures, the fluid at the nanostructured surfaces has a higher temperature than the smooth surface. This temperature difference between the smooth surface and the nanostructure surface at each time step is 1.4% on average on aluminum surfaces and 4.2% on copper surfaces.

نانوساختار , انتقال حرارت , ديناميك مولكولي , نانوپوشش‌ها , انتقال حرارت جابجايي

Nanostructure , Heat transfer , Molecular dynamics , Nanocoatings , Convection Heat transfer