چکیده :
افزایش انتقال حرارت و همچنین افزایش راند مان انرژی با توجه به محدودیت منابع طبیعی و كاهش هزینه­ها همواره یكی از اساسی ترین دغدغه­های مهندسین و محققین بوده است. این امر به خصوص در سیالات به دلیل كوچكی ضریب رسانش حرارتی از اهمیت بیشتری برخوردار است. یكی از مهمترین راه­های دستیابی به این امر ،كه در سال­های اخیر به آن توجه زیادی شده، افزودن ذرات جامد با رسانش حرارتی بالا در ابعاد نانو می باشد. جریان جا به ­جایی طبیعی در داخل حفره، که تنها عامل محرک در آن نیروی شناوری می­باشد، به علت تنوع کاربرد در بخش مهندسی و صنعت،  یکی از پدیده­های مهم به شمار می ­آید که بطور گسترده در علم انتقال حرارت مورد مطالعه قرار گرفته است. هدف از این تحقیق بررسی اثر ذرات نانو در انتقال حرارت وجریان سیال و همچنین تاثیر قطر ذرات برآن در حفره قائم­الزاویه با نسبت منظری­های متفاوت (0.1،0.2،0.25،0.5،0.75،1=L/H ) می­باشد. در این تحقیق از دو سیال پایه­ آب و اتیلن گلیکول و سه نوع نانو ذره­ی جامد مس (Cu)، اکسید تیتانیم (TiO3) و اکسید آلومینیم(Al2O3)برای چهار نسبت حجمی متفاوت ( 0،0.025،0.05،0.1=φ ) استفاده شده است. جریان آرام و در محدوده فرض بوزینسک در نظر شده و نتایج برای سه عدد رایلی 105، 106 و 107 ارائه گردیده است. جهت مدلسازی جریان از الگوریتم سیمپل استفاده شده و نتایج حاصل برای جریان تراکم ناپذیر ارائه گردیده است . به این ترتیب با بهره گرفتن از برنامه عددی نوشته شده امکان مدلسازی انتقال حرارت در جریان آرام سیال با بهره گرفتن از فرض بوزینسک فراهم گردیده است. نتایج نشان داده است که نانو ذرات معلق در سیال باعث افزایش نرخ انتقال حرارت در هر عدد رایلی و نسبت منظری می­ شود. همچنین نتایج نشان داده است که عدد ناسلت ماکزیمم و عدد ناسلت متوسط با افزایش نسبت حجمی ذرات نانو افزایش می­یابند. همچنین بیشترین مقدار ناسلت متوسط برای نانوذره­ی مس (Cu) مشاهده شده است. مقایسه­ نتایج حاصل از حل جریان با محققان پیشین نشان دهنده همخوانی قابل قبول این نتایج می­باشد.
واژه‌های کلیدی: انتقال حرارت (Heat Transfer)، نانوسِیال (Nanofluid)، تراکم­ناپذیر(Incompressible) ، حفره (Cavity)، نسبت منظری (Aspect ratio)

 
فصل اول: مقدمه
1-1- جابجایی طبیعی.. 1
1-2- نانوسیال.. 3
1-3- تولید نانوسیال.. 5
1-4- پارامترهای انتقال حرارت در نانوسیالات.. 6
1-4-1- انباشتگی ذرات.. 6
1-4-2- نسبت حجمی ذرات نانو.. 7
1-4-3- حرکت براونی.. 8
1-4-4- ترمو فرسیس.. 8
1-4-5- اندازه نانوذرات.. 9
1-4-6- شکل نانوذرات.. 9
1-4-7- ضخامت لایه سیال بین ذرات نانو.. 10
1-4-8- دما.. 11
1-4-9- کاهش در ضخامت لایه مرزی گرمایی.. 12
1-5- ویژگی­های تحقیق حاضر.. 12

2-1- روش های مدلسازی جریان نانوسیال.. 14

2-3- فیزیک جریان آرام داخل حفره.. 18
2-4- کارهای انجام شده در زمینه شبیه­سازی جریان جابجایی طبیعی در نانوسیال   20
2-4-1- کارهای انجام شده در زمینه خواص نانوسیال.. 20
2-4-1-1- روابط تئوری ارائه شده در زمینه ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال   20
2-4-1-2- روابط تئوری ارائه شده در زمینه ویسكوزیته نانوسیال.. 21
2-4-1-3- كارهای تجربی انجام شده در زمینه ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال   21
2-4-1-4- كارهای تجربی انجام شده در زمینه ویسكوزیته موثر نانوسیال   22
2-4-2- كارهای انجام شده در زمینه انتقال حرارت در نانوسیال.. 23
2-4-2-1- كارهای تجربی انجام شده در زمینه انتقال حرارت در نانوسیال   23
2-4-2-2- كارهای عددی انجام شده در زمینه انتقال حرارت در نانوسیال در داخل حفره­ی مربعی.. 24
فصل سوم: معادلات حاكم و گسسته سازی آن­ها
3-1- فرض پیوستگی.. 25
3-2- معادلات حاكم بر رژیم آرام سیال خالص.. 26
3-3- خواص نانوسیال.. 26
3-4- معادله بقاء جرم برای نانوسیال.. 27
3-5- معادله بقاء انرژی برای نانوسیال.. 28
3-6- معادله بقاء مومنتم برای نانوسیال (ناویراستوكس).. 29
3-7- معادلات مربوط به نانوسیال درتحقیق حاضر.. 30
3-8- شرایط مرزی و اولیه.. 31

3-9- بی بعد سازی معادلات و عبارت­ها.. 31
3-10- شرایط مرزی و اولیه بی­بعد.. 33
3-11- گسسته سازی معادلات حاكم.. 33
3-12- الگوریتم سیمپل.. 34
3-13- شبکه بندی جابجا شده.. 38

4-1- تعیین شبکه مناسب.. 43
4-2- مقایسه­ نتایج با كارهای انجام شده در  گذشته.. 44
4-3- نتایج نانوسیال.. 46
فصل پنجم: نتیجه ­گیری
فعالیتهای پیشنهادی برای آینده.. 68
مراجع.. 69

 
شکل 1-1- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی نسبت به زمان برای مخلوط آب اکسید مس… 7
شکل 1-2- افزایش انباشتگی نانوذرات با افزایــــش زمان برای مخلوط آب اکسید مس (0.1=φ). الف)20 دقیقه ب)60 دقیـــقه ج) 70 دقیقه.. 7
شکل 1-3- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی نسبت به نسبت حجمی ذرات نانو   8
شکل 1-4- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی موثر نسبت به نسبت حجمی و اشکال متفاوت نانوذرات برای مخـــــــلوط آب-اکسیدآلومنیم.. 9
شكل 1-5- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی موثر نسبت به ضخامت لایه سیال پیرامون نانوذرات.. 11
شكل 1-6- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی موثر نسبت به دما برای مخلوط آلومینیوم- آب.. 11
شکل 2-1- نمونه ­ای از حجم کنترل (ناحیه سایه­دار) که در آن فرض پیوستگی برقرار است.. 15
شكل 2-2- رژیم­های جریان گاز بر پایه­ نادسن… 17
شكل 2-3- هندسه­ی مسئله.. 18
شكل 2-4- ساختارهای جریان در رژیم آرام.. 19
شكل 3-1- حجم کنترل نانوسیال برای معادله­ پیوستگی.. 28
شکل 3-2- حجم کنترل نانوسیال برای معادله­ بقاء انرژی.. 28
شکل 3-3- نمای کلی عملکرد الگوریتم سیمپل.. 37
شکل 3-4- یک صفحه شطرنجی با توزیع فشار غیر یکنواخت.. 38
شکل 3-5- طرز قرار گرفتن گره­ها برای جریان دو بعدی.. 40
شکل 3-6- سیستم مکان­ها بر اساس شماره گذاری خطوط شبکه و وجوه سلول   41
Ra = و 0.05= φ) 43
Ra = .. 45
شکل 4-3- مقایسه پروفیل دما در برش میانی حفره مربعی(6.2=Pr ، 105- 104=G و 0.05= φ ) 46
شکل 4-4- پروفیل­های سرعت و دما بی­بعد در برش میانی حفره مربعی.. 47
شکل 4-5- مقایسه خطوط جریان بین سیال خالص و نانوسیال آب در نسبت منظری­های مختلف و0.05= φ. .. ……………………………………… … 49
شکل 4-6- مقایسه خطوط همدما بین سیال خالص و نانوسیال آب در0.05= φ و نسبت منظری­های مختلف.. . ………………………………………… 50
شکل 4-7- مقایسه تغییرات سرعت ماکزیمم افقی در برش میانی حفره بین سیالات خالص و نانوسیالات آب و اتیلن گلیــکول در 0.05= φ نسبت به تغییرات نسبت منظری   51
شکل 4-8- مقایـــــسه تغییرات سرعت ماکزیمم افقی در برش میانی حفره بین نانوسیالات آب و اتیلن گلیــــکول در0.05= φ نسبت به تغییرات نسبت منظری   52
شکل 4-9- مقایسه تغییرات سرعت ماکزیمم عمودی در برش میانی حفره بین  سیالات و نانوسیالات آب و اتیلن گلیـــکول در 0.05= φ نسبت به تغییرات نسبت منظری   53
شكل 4-10- مقایسه تغییرات سرعت ماکزیمم عمودی در برش میانی حفره بین نانوسیالات آب و اتیلن گلیــــکول در0.05= φ نسبت به تغییرات نسبت منظری   53
شکل 4-11- تغییرات ناسلت ماکزیمم برای نانوسیالات آب و اتیلن گلیـکول نسبت به تغییرات نسبت منظری در نسبت حجمی و رایلی­های متفاوت.. 55
شکل 4-12-. تغییرات ناسلت ماکزیمم برای سیال خالص و نانوسیال آب و اتیلن گلیکول نسبت به تغییرات نسبت منظری.. 56
شکل 4-13- تغییرات ناسلت متوسط نانوسیالات آب و اتیلن گلیـــــــکول نسبت به تغییرات نسبت منظری در نسبت حجمی و نسبت منظری­های محتلف… 58
شکل 4-14- تغییرات ناسلت متوسط نانوسیالات آب و اتیلن گلیـــــــکول نسبت به تغییرات نسبت منظری در نسبت حجمی و رایلی­های محتلف.. 59
=Ra  برای نسبت­های حجمی متفاوت.. 61
شکل 4-16- مقایسه­ تغییرات ناسلت متوسط نانوسیال در 0.1= φ با سیال پایه­ آب و ذرات نانو مختلف نسبت به تغیـیـــرات نسبت منظری.. 62
شکل 4-17- پروفیل­های سرعت و دما­ی بی­بعد در برش میانی حفره مربعی برای قطرها­ی مختلف.. 63
 

 
جدول(4-1)- خواص ترموفیزیکی سیالات و نانوذرات…………… 43
جدول(4-2)- مقایسه­ نتایج تحقیق حاضر و نتایج مرجع………. 44
 جدول(4-3)- مقادیر ناسلت متوسط نانوسیال با سیال پایه­ آب .. 64
 جدول(4-4)- مقادیر ناسلت متوسط نانوسیال با سیال پایه­ اتیلن گلیکول   65
لیست علائم و اختصارات