جریان نانوسیال در کانال دارای منبع حرارتی، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

جریان نانوسیال در کانال دارای منبع حرارتی، با استفاده از مدل چند فازی مخلوط، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

شرح پروژه (کانال با منبع حرارتی)

هدف از مسأله حاضر، شبیه سازی عددی جریان یک نانوسیال (nanofluid) از نوع Al₂O₃-water را در یک کانال دارای منبع حرارتی (heat source) با استفاده از نرم‌افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

این کانال دارای سطح مقطع مربعی و دارای ده مانع درونی می‌باشد. هر یک از این موانع دارای دو مانع صفحه مورب در مقابل یکدیگر و یک مانع استوانه‌ای بین آنهاست. از این رو، وجود این موانع مسیر جریان نانوسیال را از طریق کانال تعیین می‌کند.

بنابراین، از دو ماده مختلف آب به عنوان سیال اولیه و اکسید آلومینیوم (Al₂O₃) به عنوان سیال ثانویه استفاده شده است.

اکسید آلومینیوم دارای چگالی (density) معادل 3970 kg/m³، ظرفیت گرمایی مخصوص (specific heat capacity) معادل 768 j/kg.K، هدایت حرارتی (thermal conductivity) معادل 40 W/m.K، ویسکوزیته (viscosity) معادل 0.000017894 kg/m.s، و وزن مولکولی (molecular weight) معادل 28.966 kg/kmol است.

همچنین، ذرات اکسید آلومینیوم که به عنوان سیال ثانویه تعریف می‌شوند، دارای قطر 0.00001 متر هستند. در قسمت پایینی این کانال، یک ناحیه جامد از آلومینیوم وجود دارد.

دیوار کف تحت شار حرارتی ثابت برابر با 170000 W/m² است که وظیفه انتقال گرما به کانال حامل نانوسیال را برعهده دارد. فرآیند شبیه سازی در دو مرحله انجام می‌شود.

در ابتدا شبیه سازی در حالت تک فاز (فقط جریان آب خالص) انجام می‌شود. در این حالت، جریان آب با دمای 300 کلوین و سرعت 2.233 متربرثانیه وارد کانال می‌شود. سپس شبیه سازی در مدل دو فازی (جریان آب حاوی نانوذرات اکسید آلومینیوم) انجام می‌شود. در این حالت، نانوذرات اکسید آلومینیوم با سرعت و دمای یکسان وارد کانال می‌شود. بنابراین، کسر حجمی (volume fraction) نانوذرات برابر با 0.01 است.

مدل حاضر با استفاده از نرم افزار دیزاین مدلر (Design Modeler) به صورت سه بعدی طراحی شده است. این مدل شامل یک کانال افقی برای عبور جریان است که برروی یک جسم جامد با شار حرارتی قرار دارد.

این کانال دارای بخش مستطیلی به ابعاد 0.001 متر * 0.0015 متر با ده دسته مانع است. هر دسته از موانع شامل دو مانع صفحه‌ای مورب نسبت به یکدیگر و یک مانع استوانه‌ای بین آنها است. بدنه آلومینیومی جامد زیر کانال دارای ابعاد 0.002 متر * 0.02 متر * 0.05 متر است.

سپس مش بندی مدل حاضر با استفاده از نرم افزار انسیس مشینگ (ANSYS Meshing) انجام شده است. مش بندی از نوع بدون سازمان (unstructured) است و تعداد 2160625 سلول ایجاد شده است.

روش‌های استفاده شده

برای تعریف نانوسیال، از مدل چندفازی مخلوط (mixture multi-phase model) استفاده شده است. مدل چندفازی مخلوط زمانی استفاده می‌شود که فرآیند اختلاط بین یک سیال و یک ذره جامد اتفاق می‌افتد. این مدل چندفازی بدین دلیل است که مرز بین محلول و حلال به درستی قابل تشخیص نیست.

نتایج

پس از پایان فرایند حل، کانتورهای (contour) دو بعدی و سه بعدی مربوط به فشار اختلاط، دمای اختلاط و سرعت هر یک از فازهای آب و Al2O3 به دست می‌آید. کانتورهای دو بعدی در دو صفحه XOZ و YOZ در ناحیه جریان سیال به دست می‌آیند.

دمای سیال با جریان سیال به قسمت خروجی به دلیل وجود منبع حرارتی افزایش می‌یابد. در عین حال، نانوذرات به دلیل انتقال حرارت بیشتر، مقدار دما را افزایش می‌دهند.