25437

تحليل ميدان جريان و انتقال حرارت نانوسيال با نانوذرات تغيير فاز دهنده

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك- تبديل انرژي

1397

1400/3/11

فرزاد بازديدي طهراني

مهندسي مكانيك

در پايان‌نامه حاضر، جريان و انتقال حرارت جابجايي اجباري آرام سه گروه نانوسيال شامل نانوسيال با نانوذرات اكسيد فلزي، نانوسيال با نانوذرات تغيير فاز دهنده كپسوله شده و نانوسيال هيبريد تغيير فاز دهنده در يك ميكروكانال بررسي شده است. به جريان نانوسيال هم از منظر يك سيال تك فاز با در نظر گرفتن خواص ترموفيزيكي متغير و هم از منظر يك سوسپانسيون دو فاز با افزودن نانوذرات به جريان سيال توجه شده است. معادلات بقاء به كمك روش حجم محدود گسسته‌سازي و حل شده‌اند. اگرچه روش تك فاز روند تغييرات ويژگي‌هاي جريان و انتقال حرارت سيال پايه را با افزودن نانوذرات به خوبي پيش‌بيني مي‌كند، اما در عين حال دقت نتايج حاصل از اين روش در مقايسه با روش دو فاز كمتر است. نتايج حل هر دو روش بيانگر اين است كه نانوذرات اكسيد آلومينيوم با كسرهاي حجمي 1% و 2% به واسطه هدايت حرارتي بالا و نانوذرات تغيير فاز دهنده ان-اكتادكان با كسرهاي حجمي 5% و 10% به علت ظرفيت گرمايي بالا با پخش و پراكنده شدن در سيال پايه آب، عملكرد حرارتي سيال را بهبود مي‌بخشند، به طوري كه اين نانوذرات موجب افزايش عدد ناسلت متوسط و كاهش دماي ديواره و بالك سيال در امتداد ميكروكانال مي‌شوند كه اين امر توزيع يكنواخت‌تر دما در سيال و كاهش توليد آنتروپي حرارتي را به دنبال دارد. علاوه بر اين مشخص شده است كه توسعه‌يافتگي هيدروديناميكي جريان نانوسيال بسيار سريع‌تر از توسعه‌يافتگي حرارتي آن رخ مي‌دهد و نانوسيال با كسرهاي حجمي بالاتر، زودتر به توسعه‌يافتگي كامل هيدروديناميكي مي‌رسد و در مقابل توسعه‌يافتگي حرارتي در آن به تأخير مي‌افتد. نانوذرات تغيير فاز دهنده با بازه ذوب كمتر و نانوذرات اكسيد فلزي با قطر كوچكتر، عملكرد حرارتي بهتري را در نانوسيال از خود بروز مي‌دهند. عدد رينولدز در بازه 200 تا 800 تغيير مي‌كند كه افزايش آن به بهبود سرمايش در ميكروكانال كمك مي‌كند. همچنين افزايش عدد رينولدز موجب افزايش عدد پكلت نيز مي‌شود كه در نتيجه آن انتقال حرارت جابجايي نسبت به انتقال حرارت ديفيوژن بيش از پيش تقويت مي‌گردد. غلظت‌هاي حجمي و اعداد رينولدز بالا در كنار مزايايي كه دارند، موجب ايجاد مشكلاتي از قبيل تشديد افت فشار در ميكروكانال و افزايش توليد آنتروپي اصطكاكي مي‌شوند كه اين به علت افزايش لزجت ديناميكي و تلفات مكانيكي جريان نانوسيال مي‌باشد.

1400/08/10

Analysis of flow and heat transfer of nanofluid with phase change nanoparticles

6/1/2022 12:00:00 AM

In the present dissertation, the flow and heat transfer of laminar forced convection of three groups of nanofluids including nanofluid with metal oxide nanoparticles, nanofluid with nano-encapsulated phase change material and hybrid nanofluid consist of metal oxide nanoparticles and nano-encapsulated phase change material through a microchannel has been investigated. The nanofluid flow has been modeled via the single phase model with variable thermo-physical properties and two phase model with adding nanoparticles. Conservation equations have been discrete and solved using the finite volume method. However, the single phase model predicts the flow and heat transfer characteristics of nanofluid well, but the accuracy of two phase model is higher than single phase model. The results of both model indicates that aluminum oxide nanoparticles with volume fractions of 1% and 2% due to high thermal conductivity and n-octadecane phase change nanoparticles with volume fractions of 5% and 10% due to high heat capacity, by suspending in water-based fluid, improve the thermal performance of fluid, so that These nanoparticles increase the average Nusselt number and decrease the temperatures of wall and fluid bulk along the microchannel, which leads to a more uniform temperatures distribution in the fluid and reduces the thermal entropy generation. Furthermore, it has been found that the hydrodynamic development of nanofluid flow occurs much faster than its thermal development and nanofluid with higher volume fractions reach fully developed flow hydrodynamically sooner and thermal development is delayed. Phase change nanoparticles with lower melting range and metal oxide nanoparticles with smaller diameter have better thermal performance. Reynolds number varies between 200 and 800 that increasing it helps to improve the cooling in the microchannel. Also, increasing Reynolds number increases Peclet number, as a result of which convection heat transfer is more amplified than diffusion heat transfer. Higher Reynolds numbers and volume fractions, in addition to their advantages, cause problems such as intensifying the pressure drop in the microchannel and increasing the frictional entropy generation, which is due to enhancement of dynamic viscosity and mechanical losses of nanofluid flow.

جابجايي اجباري آرا م، نانوسيال با نانوذرات تغيير فاز دهنده، نانوسيال هيبريد، روش تك فاز و دو فاز، توسعه يافتگي هيدروديناميكي و حرارتي، توليد آنتروپي

laminar forced convection, nanofluid with phase change nanoparticles, hybrid nanofluid, single and two phase model, hydrodynamic and thermal development, entropy generation