(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
چکیده :
افزایش انتقال حرارت و همچنین افزایش راندمان سیستم های ذخیره کننده انرژی با توجه به محدودیت منابع طبیعی و با هدف کاهش هزینه­ها همواره یکی از اساسی ترین دغدغه­های مهندسین و محققین بوده است. این امر به خصوص در سیالات به دلیل کوچکی ضریب رسانش حرارتی از اهمیت بیشتری برخوردار است. یکی از مهمترین راه­های دستیابی به این امر ،که در سال­های اخیر به آن توجه زیادی شده، افزودن ذرات جامد با رسانش حرارتی بالا در ابعاد نانو می باشد. انتقال حرارت به همراه تغییر فاز در بسیاری از کاربردها بویژه در سیستم­های ذخیره انرژی حرارتی از اهمیت فوق العاده­ای برخوردار است. در این واحد­های ذخیره انرژی، هدف استفاده از گرمای نهان ذوب در طول فرایند تغییر فاز است. هدف از این تحقیق بررسی اثر افزودن  ذرات نانو به سیال تراکم ناپذیر پایه در انتقال حرارت و تغییر فاز ماده می باشد. در این تحقیق از یک سیال پایه­ی آب و چهار نوع نانو ذره­ی جامد مس (Cu)، آلومینیم (Al)، TiO2 و اکسید آلومینیم (Al2O3) برای شش نسبت حجمی متفاوت (2/0، 15/0، 1/0، 05/0، 025/0، 0=φ) استفاده شده است. جریان آرام و در محدوده فرض بوزینسک در نظر گرفته شده و نتایج برای سه عدد گراشف 105، 106 و 107 ارائه گردیده است. با استفاده از نرم افزار FLUENT مدلسازی تغییر فاز در جریان آرام سیال انجام شده است و افزودن ذرات نانو به سیال پایه با نوشتن UDF صورت پذیرفته است. نتایج نشان داده است که وجود نانو ذرات معلق در سیال باعث افزایش نرخ انتقال حرارت و کاهش زمان لازم برای انجماد کامل سیال می­شود. همچنین نتایج نشان داده است که عدد ناسلت قبل از شروع تغییر فاز با افزایش نسبت حجمی ذرات نانو افزایش می­یابد. همچنین افزودن ذرات مس در ابعاد نانو نسبت به افزودن دیگر ذرات نانو به سیال پایه زمان لازم برای انجماد کامل را بیشتر کاهش می دهد. مقایسه­ی نتایج حاصل از حل جریان با تحقیقات پیشین نشان دهنده­ی همخوانی قابل قبول این نتایج می­باشد.
واژه‌های کلیدی: انتقال حرارت (Heat Transfer)، نانوسِیال (Nanofluid)، تراکم­ناپذیر(Incompressible) ، حفره (Cavity)، نسبت منظری (Aspect Ratio)

فهرست مطالب
عنوان                                                                                                                   شماره صفحه
 
فصل اول. 1
مقدمه. 1
1-1        مقدمه. 1
1-3 نانو تکنولوژی.. 4
1-3-1 چرا «نانو» تکنولوژی؟. 5
1-4 تاریخچه نانو فناوری.. 5
1-5 کاربرد نانو سیالات.. 6
1-6 روش­های ذخیره انرژی.. 7
1-6-1 ذخیره انرژی به صورت مکانیکی.. 7
1-6-2 ذخیره الکتریکی.. 7
1-6-3-1 ذخیره گرمای محسوس… 8
1-6-3-2 ذخیره گرمای نهان. 8
1-6-3-3 ذخیره انرژی ترموشیمیایی.. 8
1-7 ویژگی­های سیستم ذخیره نهان.. 10
1-8 ویژگی­های مواد تغییر فاز دهنده. 10
1-10-1-1 پارافین­ها 12
1-10-1-2 غیر پارافین‌ها 13
1-10-2 مواد تغییر فاز دهنده غیرآلی.. 14
1-10-2-1 هیدرات­های نمک.. 14
1-10-2-2 فلزات.. 15
1-10-3 اوتکتیک­ها 15
1-11 کپسوله کردن مواد تغییر فاز دهنده. 15
1-12 سیستم‌های ذخیره انرژی حرارتی.. 17
1-12-1 سیستم‌های گرمایش آب خورشیدی.. 17
1-13 کاربرد­های مواد تغییر فاز دهنده در ساختمان.. 17
1-14 کاربرد مواد تغییر فاز دهنده در دیگر زمینه ها 18
1-15  تکنیک­های افزایش کارایی سیستم ذخیره­ساز انرژی.. 19
1-15-1 استفاده از سطوح گسترش یافته. 19
1-15-2 استفاده از شبکهای از PCMها در سیستم. 20
1-15-3 افزایش هدایت حرارتی PCM.. 21
1-15-4 میکروکپسوله کردن PCM.. 23
فصل دوم. 25
پیشینه موضوع و تعریف مسئله. 25
2-1- مقدمه. 25
2-2- روش­های مدلسازی جریان نانوسیال. 25
2-3- منطق وجودی نانو سیالات.. 28
2-4- پارامترهای انتقال حرارت در نانوسیالات.. 31
2-4-1- انباشتگی ذرات.. 31
2-4-2- نسبت حجمی ذرات نانو. 32
2-4-3- حرکت براونی.. 33
2-4-4- ترموفورسیس… 33
2-4-5- اندازه نانوذرات.. 34
2-4-6- شکل نانوذرات.. 34
2-4-7- ضخامت لایه سیال بین ذرات نانو. 35
2-4-8- دما 36
2-5- انواع نانو ذرات.. 36
2-5-1- نانو سیالات سرامیکی.. 36
2-5-2- نانو سیالات فلزی.. 37
2-5-3- نانو سیالات، حاوی نانو لوله های کربنی و پلیمری.. 38
2-6- نظریه هایی بر نانو سیالات.. 39
2-6-1- روابط تئوری ارائه شده در زمینه ضریب رسانش حرارتی موثرنانوسیال. 39
2-6-2- کارهای تجربی انجام شده در زمینه ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال. 43
2-6-3- کارهای تجربی انجام شده در زمینه ویسکوزیته موثر نانوسیال. 44
2-7- کارهای تجربی انجام شده در زمینه­ انتقال حرارت در نانوسیال. 44
2-8- کارهای عددی انجام شده در زمینه­ انتقال حرارت در نانوسیال درداخل حفره‌ی مربعی   45
2-9- کارهای انجام شده در زمینه­ تغییر فاز ماده. 45
2-10- تعریف مسئله. 48
فصل سوم. 49
معادلات حاکم و روشهای حل.. 49
3-1 فرض پیوستگی.. 49
3-2- معادلات حاکم بر رژیم آرام سیال خالص… 50
3-3- مدل بوزینسک… 51
3-4- خواص نانوسیال. 51
3-5 – معادلات حاکم بر تحقیق حاضر. 52
3-6- شرایط مرزی و اولیه. 53
3-7- روش بررسی تغییر فاز در این پژوهش… 54
3-7-1 تغییر فاز با مرز مجزا 54
3-7-2 تغییر فاز آلیاژها 54
3-7-3 تغییر فاز پیوسته. 54
3-8- معادلات حاکم بر روش آنتالپی.. 56
3-8-1 معادله حاکم بر انتقال حرارت بر پایه روش آنتالپی.. 56
3-8-2 معادلات نهایی حاکم بر انتقال حرارت بر پایه روش آنتالپی تعمیم یافته. 58
3-9  مروری بر روش­های عددی.. 61
3-9-1  روش حل تفکیکی.. 62
3-9-2 روش حل پیوسته. 64
3-9-3 خطی سازی: روش ضمنی و روش صریح. 65
3-9-4 انتخاب حل کننده 67
3-10  خطی سازی.. 69
3-10-1 روش بالادست مرتبه اول. 70
3-10-2  روش بالادست توان-پیرو 70
3-10-3 روش بالادست مرتبه دوم. 72
3-10-4 روش QUICK. 73
3-11  شکل خطی شده معادله گسسته شده. 74
3-12 مادون رهایی.. 75
3-13  حل کننده تفکیکی.. 75
3-13-1  گسسته سازی معادله ممنتوم. 75
3-13-1-1 روش درونیابی فشار 76
3-13-2  گسسته سازی معادله پیوستگی.. 77
4-13-3 پیوند فشار- سرعت.. 78
3-13-3-1 SIMPLE. 79
3-13-3-2 SIMPLEC. 80
3-13-3-3 PISO.. 80
3-14  انتخاب روش گسسته سازی.. 81
3-14-1  مرتبه اول و مرتبه دوم. 81
3-14-2 روش های توان- پیرو و QUICK. 82
3-14-3  انتخاب روش درونیابی فشار 82
3-15  انتخاب روش پیوند فشار- سرعت.. 83
3-15-1  SIMPLE و SIMPLEC. 83
3-15-2  PISO.. 84
3-17 مدلسازی­های وابسته به زمان.. 84
3-17-1 گسسته سازی وابسته به زمان. 85
3-17-2 انتگرال گیری زمانی ضمنی.. 85
3-17-3 انتگرال­گیری زمانی صریح. 86
3-17-4  انتخاب اندازه بازه زمانی.. 87
3-18 انتخاب روش­های حل.. 87
3-19 شبکه بندی و گام زمانی.. 89
3-19-1 آزمون عدم وابستگی نتایج به تعداد نقاط شبکه و گام زمانی.. 89
3-20- مراحل حل مسئله. 91
فصل چهارم. 92
بررسی نتایج عددی.. 92
4-1 اعتبار سنجی مسئله. 93
4-2  اثر افزودن نانو ذرات.. 98
4-3 بررسی اثر افزودن ذرات نانو در مدل­های گفته شده در قسمت اعتبار سنجی   114
فصل پنجم. 124
5-1 نتیجه گیری.. 124
5-2 فعالیت های پیشنهادی برای ادامه کار  ……………………………………………………………………….. 126
مراجع  127

فهرست شکل ها
عنوان                                                                                                                 شماره صفحه
 
شکل 1-1 دیدگاه کلی ذخیره انرژی حرارتی.. 9
شکل 1-2 دسته­بندی مواد تغییر فاز دهنده 12
شکل1-3- سیستم­های حاوی چند PCM… 21
شکل1-4- ساختارهای فلزی مورد استفاده در سیستم ذخیره­سازی انرژی.. 23
شکل1-5: نمونه­ای از میکروکپسوله PCM، (a) روش اسپری خشک، (b) روش تودهای.. 24
شکل 2-2- رژیم­های جریان گاز بر پایه­ی عدد نادسن. 28
شکل 2-3- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی نسبت به زمان برای مخلوط آب اکسید مس [8]. 32
شکل 2-4- افزایش انباشتگی نانوذرات باافزایش زمان برای مخلوط آب اکسیدمس (1/0=f)  الف) 20 دقیقه ب) 60 دقیقه ج) 70 دقیقه [8] 32
شکل 2-5- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی نسبت به نسبت حجمی ذرات نانو [10] 33
شکل 2-6- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی موثر نسبت به نسبت حجمی و اشکال متفاوت نانوذرات برای مخلوط آب – اکسید آلومینیم [14]. 35
شکل 2-7- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی موثر نسبت به ضخامت لایه سیال پیرامون نانوذرات . 36
شکل 2-8- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی موثر نسبت به دما برای مخلوط آلومینیوم–آب [12] 36
شکل 2-9-  افزایش رسانایی گرمایی K بخاطر افزایش نسبت حجمی    از توده های با رسانایی بالا. نمودار

شماتیک به ترتیب موارد زیر را نشان می دهد. (i) ساختار قرارگیری بصورت فشرده Fcc از ذرات (ii) ترکیب قرارگیری مکعبی ساده (iii) ساختار بی نظم ذرات که در تماس فیزیکی با هم قرار دارند (iv) توده از ذرات که بوسیله لایه نازکی از سیالی که اجازه جریان گرمای سریع در میان ذرات را می دهد از یکدیگر جدا شده اند. 41
شکل 2-10- شکل هندسه مورد نظر. 49
شکل 3-1: بررسی انتقال حرارت در هندسه مورد نظر. 57
شکل 3-2-  نمای کلی مراحل حل­کننده تفکیکی.. 64
شکل 3-3- نمای کلی حل کننده پیوسته. 65
شکل 3-4-  حجم کنترل استفاده شده برای نمایش گسسته­سازی.. 70
شکل 3-5- تغییر متغیر  بین x=0 و x=L (معادله 4-21) 72
شکل 3-6- حجم کنترل یک بعدی.. 74
شکل 3-7- زمان لازم برای انجماد کامل سیال در گراشف 105 و نسبت حجمی 1/0 برای مش­های مختلف   89
شکل 3-8- زمان لازم برای انجماد کامل سیال در گراشف 105 و نسبت حجمی 1/0 برای گام های زمانی مختلف   90
شکل 4-1- توزیع ناسلت موضعی روی دیواره­ی گرم  0.71 =و 0=φ الف) 105 = ، ب) 106 =  94
ج)…. 107 = ]63[ 94
شکل4-2- مقایسه پروفیل دما در برش میانی حفره مربعی (2/6=  ، 105=  و 05/0= φ ) 95
شکل 4-3-  مقایسه زمان لازم برای انجماد سیال در دمای …….. 96
شکل 4-4- پروفیل دما در خط مرکزی برای ارتفاع 20. 97
شکل 4-5- زمان لازم برای انجماد کامل سیال در سیال خالص در مقایسه با افزودن ذرات نانو را در عدد گراشف 105 97
شکل 4-6-  پروفیل­های الف) دما و ب) سرعت در برش میانی حفره مربعی.. 98
شکل 4-7- تغییرات ناسلت موضعی نانوسیال آب روی دیواره گرم در نسبت منظری (L/H=1) و105=   برای نسبتهای حجمی متفاوت   99
شکل 4-8-الف- کانتور  برای درصد حجمی )0% ،10% و20% ( و گراشف 105 (زمان برحسب دقیقه) در صفحه 005/0 z=  101
شکل 4-8-ب- کانتور   برای درصد حجمی )0% ،10% و20% ( و گراشف 106 (زمان برحسب دقیقه) در صفحه 005/0 z=  103
شکل 4-9- زمان لازم برای انجماد کامل سیال در سیال خالص در مقایسه با افزودن ذرات نانو را در  سه عدد گراشف الف) 105 ، ب) 106 و ج) 107. 104
شکل 4-10-  مقایسه زمان لازم برای انجماد کامل سیال در سیال خالص و نسبت حجمی 1/0φ= در سه گراشف 105، 106 و 107 105
شکل 4-11- مدت زمان از بین رفتن اثر انتقال حرارت جابجایی در سیال خالص در گراشف 105 105
شکل 4-12- مقایسه مدت زمان ناچیز شدن اثر انتقال حرارت جابجایی در سیال خالص و نانو سیال با در صد حجمی ذرات نانو 1/0φ= و 2/0φ= در گراشف 105 106
شکل 4-13- مقایسه اثر انتقال حرارت جابجایی بر ناحیه خمیری شکل در سه گراشف 105، 106 و 107 106
شکل 4-14- خطوط جریان در 10ثا نیه نخست فرایند انجماد در گراشف105 با در صد حجمی ذرات نانو 20% در صفحه 005/0=z  108
شکل4-15- مقایسه خطوط جریان در زمان 0 و 10 ثانیه فرایند انجماد در گراشف 105 ، 106 و 107 با در صد حجمی ذرات نانو 20%  109
شکل 4-16- توزیع درجه حرارت را بر روی خط مرکزی حفره مربعی در دو زمان الف)5   دقیقه و ب) 12 دقیقه در گراشف  105  110
شکل 4-17- مقایسه مدت زمان لازم برای انجماد کامل سیال با اختلاف در جه حرارت بین دو دیوار چپ و راست   110
شکل 4-18- زمان لازم برای انجماد کامل سیال در سیال خالص در مقایسه با افزودن ذرات نانو را در گراشف 105 برای الف) C ° 20 =DT ب C ° 30 =DT ج) C ° 50 =DT د) C ° 80 =DT. 111
شکل 4-19- مقایسه خطوط همدما بین سیال خالص و نانوسیال آب در 05/0= φ  و نسبت منظریهای مختلف   112
شکل 4-20- مقایسه مدت زمان لازم برای انجماد کامل سیال الف) برای نسبت های منـــظریهای مختلف  ب) برای نسبت های منـــظریهای 5/0 برای گراشف 105 و  نسبت حجمی مختلف.. 113
شکل 4-21- مقایسه مدت زمان لازم برای انجماد کامل سیال در عدد گراشف 105 با سیال پایهی آب و ذرات نانو مختلف   114
شکل 4-22-  حفره مربعی در پژوهش ……. 114
شکل 4-23- کسر حجمی ماده تغییر فاز یافته در دما و درصد حجمی محتلف از نانو ذرات.. 116
شکل 4-24- مرز ناحیه تغییر فاز در درجه حرارت مختلف دیوار چپ و زمان الف)  10 ب)  50  116
شکل 4-25- میدان سرعت نانو سیال با درصد حجمی مختلف و در زمانهای مختلف.. 118
شکل 4-26- خطوط جریان در 10ثا نیه نخست فرایند انجماد برای دیوار چپ با و در صد حجمی ذرات نانو 20%  119
شکل 4-27- منحنی توزیع دما بر خط مرکزی افقی حفره در دمای مختلف دیواره چپ و درصد حجمی مختلف از نانو ذرات   120
شکل 4-28-  حفره مربعی در پژوهش …….. 120
ج) 122
شکل 4-29- منحنی توزیع دما بر خط مرکزی افقی حفره در دمای مختلف دیواره چپ و درصد حجمی مختلف از نانو ذرات الف)  ب) ج) ……………… 122
شکل 4-30- کسر حجمی ماده تغییر فاز یافته برای درصد حجمی محتلف از نانو ذرات و ارتفاع مختلف   123
الف)  ب) ج) ……………… 123
 
 

   فهرست جدول ها
عنوان                                                                                                                   شماره صفحه
جدول 1-1 نقطه ذوب و گرمای نهان پارافین‌ها 13
جدول 1-2-  نقطه ذوب و گرمای نهان غیر پارافین‌ها 14
جدول 1-3-  نقطه ذوب و گرمای نهان هیدرات­های نمک… 16
جدول 1-4-  نقطه ذوب و گرمای نهان فلزات.. 17
جدول 1-5-  نقطه ذوب و گرمای نهان اوتکتیک­ها 17
جدول 3-1 الگوریتم­های حل انتخاب شده. 88
جدول 4-1-خواص ترموفیزیکی سیالات و نانوذرات.. 92
جدول 4-2 خواص سیال پایه، ذرات مس و نانوسیال در نسبت حجمی مختلف.. 93
جدول 4-3 مقادیر ناسلت متوسط  برای عدد رایلی مختلف.. 94
جدول 4-4 خواص سیال پایه، ذرات مس و نانوسیال در نسبت حجمی 2/0، 1/0، 0= φ.. 115
جدول 4-5- خواص سیال پایه، ذرات مس و نانوسیال در نسبت حجمی 2/0، 1/0، 0= φ   121
 
 
لیست علائم و اختصارات