انتقال حرارت جابجایی ترکیبی یک نانو سیال، شامل آب و ذرات اکسید آلومینیوم، درون یک لوله افقی، برای جریان آرام به صورت عددی شبیه سازی شده است. معادلات پیوستگی، اندازه حرکت و انرژی با رویکرد حجم کنترل با دقت مرتبه دوم گسسته شده و کوپلینگ سرعت و فشار با استفاده از الگوریتم سیمپل انجام شده است. برای لحاظ کردن جابجایی آزاد، تغییرات چگالی سیال با رابطه بوسینسک برحسب دما تغییر می کند. از مدل دوفازی مخلوط همگن با به کارگیری خواص موثر برای مدل سازی جریان دوفاز نانوسیال استفاده شده است. شبکه بندی به صورت باسازمان انجام شده و کنار دیواره ها شبکه لایه-مرزی ایجاد شده است. مقایسه نتایج بدست آمده با نتایج تجربی بیانگر دقت قابل قبول شبیه سازی عددی بوده است. شبیه سازی در دو حالت عدد ریچاردسون و شارحرارتی ثابت به صورت پایا انجام شده و تغییرات ضریب جابجایی و عدد ناسلت در شرایط مختلف به صورت نمودار ارایه شده است. بررسی نتایج نشان می دهد که در حالت شار حرارتی ثابت انتخاب رابطه مناسب برای ضریب هدایت حرارتی موثر تاثیر قابل ملاحظه ای بر دقت نتایج بدست آمده خواهد داشت. بررسی نتایج نشان داد که در حالت عدد ریچارسون ثابت هر دو رابطه نتایج مشابه ای برای مقدار ضریب جابجایی می دهند به طوری که با افزایش درصد کسر حجمی نانوذره مقدار ضریب جابجایی افزایش می دهد. این در حالی است که در حالت شارحرارتی ثابت نتایج بدست آمده عکس یکدیگر است. به صورتی که با افزایش غلظت نانوذرات، در یک رابطه افزایش ضریب انتقال حرارت و در دیگری کاهش ضریب انتقال حرارت مشاهده می شود.

یکی از مسائل کاربردی و مورد علاقه در علوم حرارت و سیالات، طراحی شکل سطح برای دستیابی به توزیع مطلوبی از یک متغیر جریان نظیر سرعت، فشار، دما یا شار حرارتی روی مرز است. حل چنین مسائلی با روش های تجربی یا نیمه تجربی مقرون به صرفه نبوده و با روش های تحلیلی نیز در اغلبِ مواردِ کاربردی امکان پذیر نیست. به همین دلیل الگوریتم های عددی متعددی برای حل مسائل طراحی شکل سطح توسعه داده شده است. در این الگوریتم ها معمولا یک شکل اولیه در فرآیندی محاسباتی اصلاح می شود تا توزیع سطحی مورد نظر بدست آید. الگوریتم های عددی برای حل مسائل طراحی شکل از سه ابزار تولید کننده شبکه، حلگر جریان و تغییر دهنده شکل استفاده می کنند. در اغلب الگوریتم های عددی، علاوه بر اینکه سه ابزار ذکر شده به صورت جدا از هم کار می کنند، تغییر دهنده شکل نیز مبتنی بر معادلات حاکم نیست. در این مقاله یک الگوریتم طراحی شکل جدید موسوم به الگوریتم طراحی مستقیم برای مسائل انتقال حرارت جابجایی داخلی ارائه می شود که در آن علاوه بر اینکه تولید شبکه، حل جریان و تغییر شکل به صورت همزمان انجام می شود، تغییر دهنده شکل نیز از معادله حاکم به دست آمده و شامل هیچ پارامتر مجهولی نیست. چند مساله مشتمل بر انتقال حرارت جابجایی که در آن ها به جای شکل مرز، توزیع شار حرارتی روی مرز معلوم است، با استفاده از الگوریتم پیشنهادی، حل شده است. نتایج بدست آمده حاکی از توانایی الگوریتم توسعه داده شده در حل مسائل طراحی شکل مشتمل بر انتقال حرارت جابجایی داخلی می باشد.

با توجه به اهمیت فرایند خنک کردن و گرم کردن یک جسم جامد، تولید انتروپی در جریان محدود در اطراف یک مانع مورد بررسی قرار گرفته است. در این مطالعه، شبیه سازی عددی جریان لایه ای آرام و انتقال حرارت نانو سیال ها با نانو ذرات Al2O3 یا نانو لوله های کربن (CNTs)با شکل های مختلف در نظر گرفته شده است. معادله های ناویر-استوکس و انرژی به صورت عددی در یک سیستم مختصات متناسب با هندسه جسم، با استفاده از روش حجم کنترل حل شده اند. الگوهای جریان و میدان های دما برای مقادیر مختلف غلظت ذرات به طور دقیق بررسی شده اند. علاوه بر این، اثرات شکل و غلظت نانو ذرات بر انتقال حرارت مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین، تاثیر نانو سیال ها بر افت فشار و توان پمپ مطالعه شد. از سوی دیگر، کمینه کردن تولید انتروپی به عنوان معیار بهینه سازی در نظر گرفته شده است. نتایج نشان می دهد که در بیشتر موارد، نانو سیال ها انتقال حرارت و همچنین افت فشار را افزایش می دهند. همچنین، شکل نانو ذرات مکانیزم انتقال حرارت در نانو سیال ها مهم است. نانو سیال ها با نانو ذرات استوانه ای CNT نسبت به نانو سیال های که دارای نانو ذرات Al2O3 با شکل کروی هستند، انتقال حرارت را بیشتر افزایش می دهند. برای نانو سیال حاوی CNT با غلظت %5/0 انتقال حرارت خیلی بیشتر از توان پمپاژ افزایش یافته است که این نانو سیال را یک انتخاب اقتصادی می سازد.

در مطالعه حاضر انتقال حرارت جابجایی اجباری در کانال استوانه ای بستر دانه ای با تولید حرارت داخلی مورد بررسی تجربی قرار گرفته است. هوای خشک به عنوان سیال عامل در فرایند خنک کاری دانه های کروی گرم شده، مورد استفاده قرار گرفته است. حرارت داخلی با روش گرمایش القائی الکترومغناطیس در دانه های کروی فلزی استفاده شده در قسمت آزمایش به صورت یکنواخت تولید شده است. قطر دانه های کروی در محدوده 5.5 تا 7.5 میلی متر است و جنس آنها فولاد ضد زنگ انتخاب شده است. مطالعه حاضر در حالت جریان پایا و در رژیم جریان مغشوش در محدوده عدد رینولدز 4500 تا 9500 انجام گرفته است. پارامترهای مختلف ناشی از تغییرات قطر دانه ها، سرعت سیال و مقدار حرارت تولیدی بر روی انتقال حرارت جابجایی اجباری در کانال متخلخل مطالعه شده است. با توجه به مطالعات هیدرودینامیکی و حرارتی می توان دریافت که با افزایش عدد رینولدز، ضریب انتقال حرارت جابجایی افزایش می یابد. همچنین ضریب انتقال حرارت جابجایی با افزایش قطر دانه ها کاهش یافته است. مقدار حرارت تولیدی تاثیر ناچیزی بر ضریب انتقال حرارت جابجایی داشته است و تاثیر فشار بر روی انتقال حرارت جابجایی اهمیت ناچیزی دارد. کانال متخلخل در مقایسه با کانال خالی ضریب اصطکاک را به شدت افزایش می دهد در کانال خالی ضریب اصطکاک همواره عددی کمتر از واحد است ولی برای کانال متخلخل این پارامتر عددی در محدوده 10 تا 25 گزارش شده است.

لطفا برای مشاهده چکیده به متن کامل (PDF) مراجعه فرمایید.