توصيفگر ها :
مگنتوهيدروديناميك , ميكروكانال U-شكل , كنترل جريان و انتقال حرارت , نانوسيال , مدل تكفاز همگن , مدل فاز گسسته , جانمايي ميدان مغناطيسي , معيار ارزيابي عملكرد ميكروكانال
چكيده فارسي :
در پژوهش حاضر به منظور انتخاب روش تركيبي مناسب براي كنترل انتقال حرارت و جريان ميكروكانال U-شكل، مشخصههاي حرارتي و جريان ميكروكانال تحت تاثير حالتهاي دوراني و ميدانهاي مغناطيسي منفرد و تركيبي مختلف و تغيير پارامترهاي مختلف از جمله عدد رينولدز (50≤Re≤1000)، عدد هارتمن (0≤Ha≤80)، كسر حجمي نانوذرات (0.01≤∅≤0.04) و سرعت دوراني (0≤ω≤30orad/s) و شرايط مرزي لغزش و عدم لغزش مورد بررسي و مقايسه قرار گرفته است. همچنين به منظور بررسي اثر جانمايي اعمال ميدان مغناطيسي منفرد بر عملكرد حرارتي و افت فشار كل ميكروكانال، از چهار آهنرباي دائم مشابه، در 16 حالت مختلف، براي اعمال نيروي لورنتز بر جريان نانوسيال جاري در ميكروكانال استفاده شده است. در پژوهش عددي حاضر، براي حل معادلات حاكم و شبيهسازي جريان و انتقال حرارت نانوسيال از روش عددي حجم محدود در بستر نرم افزار انسيس فلوئنت استفاده شده است. جملههاي چشمه اضافه شده حاصل از ميدان مغناطيسي و شرط مرزي لغزش و پرشدمايي حاصل از ديواره آبگريز، به صورت تابعهاي تعريف شده توسط كاربر، در قالب برنامههاي كمكي به انسيس فلوئنت معرفي ميشوند. سيال كاري مورد استفاده در پژوهش حاضر نانوسيال آب-آلومينا با كسرحجميهاي مختلف است. از دو روش مدلسازي براي شبيهسازي جريان و انتقالحرارت نانوسيال استفاده ميشود. روش مدل تكفاز همگن، كه در آن نانوسيال به صورت مخلوطي همگن از نانوذرات و سيال پايه مدل شدهاست و روش دوفازي مدل فاز گسسته، كه در آن نانوذرات و سيال پايه به صورت فازهاي جداگانه، براي حل مومنتوم و انتقالحرارت براي هرفاز استفاده ميشود، مدلسازي ميشوند. به منظور اعتبار سنجي روش پيشنهادي مدل تكفاز همگن و رابطههاي مورد استفاده براي محاسبه خواص ترمو-فيزيكي نانوسيال، نتايج متناظر حاصل از مدل تكفاز همگن و مدل فاز گسسته تحت تاثير تغيير پارامترهاي مختلف مورد بررسي و مقايسه قرار ميگيرد. بيشترين اختلاف مقادير متناظر ضريب انتقال حرارت حاصل از مدل تكفاز همگن و مدل فاز گسسته 5.9 درصد است. از اين رو با توجه به توانايي مدل تكفاز همگن در پيشبيني مشخصههاي انتقال حرارت نانوسيال در محدوده قابل قبول و با توجه به هزينه محاسباتي بسيار كمتر آن در مقايسه با مدل فاز گسسته و همچنين تعداد و محدوده پارامترهاي مسئله تحت بررسي، مدل تكفاز همگن براي شبيهسازي انتقال حرارت و جريان نانوسيال در ادامه پژوهش انتخاب شد. همچنين با استفاده از رابطه ضريب عملكرد حرارتي تاثير افزايش اعداد هارتمن و رينولدز بر تغييرات عدد ناسلت كل و افت فشار كل به صورت همزمان بررسي و مقايسه شد. در ادامه ملاحظه شد رابطه ضريب عملكرد حرارتي به تنهايي ملاك مناسبي براي ارزيابي كارآمدي ميكروكانال ساكن تحت تاثير ميدانهاي مغناطيسي منفرد و ساكن نيست. از اين رو از پارامترهاي نسبي توان حرارتي جذب شده از ديوارهها به توان مورد نياز براي پمپاژ سيال و تغيير عدد ناسلت كل نسبت به حالت عدم حضور ميدان به طور همزمان براي مقايسه و ارزيابي عملكرد حرارتي ميكروكانال ساكن تحت تاثير ميدانهاي مغناطيسي منفرد و تركيبي نيز استفاده شده است. با بررسي نتايج پژوهش حاضر ملاحظه ميشود كنترل جريان سيال و انتخاب ميدان مغناطيسي منفرد و تركيبي و محور و راستاي دوران ميتواند نقش مهمي در عملكرد حرارتي ميكروكانال ايفا كند. بطوريكه در محدوده پارامترهاي مورد بررسي، عدد ناسلت كل ميكروكانال ساكن تحت تاثير جريان مارپيچي حاصل از تركيب ميدانهاي مغناطيسي منفرد Bx و By (BxBy) در مقايسه با حالت عدم حضور ميدان 137.7 درصد افزايش مييابد. اين در حالي است كه با دوران پادساعتگرد و ساعتگرد ميكروكانال تحت تاثير ميدان مغناطيسي تركيبي BxBy حول محور مختصاتي Z، عدد ناسلت كل در مقايسه با حالت ساكن و عدم حضور ميدان ميتواند حداكثر 161.4 درصد افزايش و يا 62.4 درصد كاهش يابد. همچنين ملاحظه ميشود با جانمايي و چيدمان مناسب ميدان مغناطيسي منفرد و تحت تاثير قرار دادن تنها قسمتي از طول ميكروكانال، ميتوان ضمن افزايش عملكرد حرارتي ميكروكانال، افزايش افت فشار كل ناشي از اعمال ميدان مغناطيسي را نيز به مقدار قابل ملاحظهاي كاهش داد.
چكيده انگليسي :
In this study, in order to select an appropriate method to control the heat transfer and flow of U-shaped stationary/rotating microchannel, thermal and flow characteristics of microchannel have been investigated and compared under the influence of rotating states, single and combined magnetic fields and various parameters such as Reynolds number (50≤Re≤1000), Hartmann number (0≤Ha≤80), Nanoparticles volume fraction (0.01≤∅≤0.04), rotational speed (0≤ω≤30orad/s), slip and no-slip boundary conditions. In addition, in order to investigate the arrangement effect of applying a single magnetic field on the thermal performance and pressure drop of the microchannel, four similar permanent magnets, in 16 different arrangements, have been used to apply Lorentz force to the flowing nanofluid in the microchannel. The Ansys-Fluent software platform was employed to solve the governing equations. The working fluid used in the present study is water-alumina nanofluid with different volume fractions. The single-phase and two-phase methods have been used to simulate the flow and heat transfer of nanofluid. To validate the proposed methods, the corresponding results of the homogeneous single-phase model and the discrete phase model under the influence of changing various parameters are reviewed and compared. The maximum difference between the values of heat transfer coefficient obtained from the homogeneous single-phase model and the discrete phase model is 5.9%. Therefore, considering the ability of the homogeneous single-phase model to predict the nanofluid heat transfer characteristics in an acceptable range, computational cost, and the number and range of parameters of the problem under study lead the homogeneous single-phase model to be selected for further research. Also, by using the thermal performance coefficient, the effect of increasing Hartmann and Reynolds numbers on changes in total Nusselt number and total pressure drop were investigated and compared simultaneously. It is also observed that the relation between thermal performance coefficient individually is not a suitable criterion for evaluating the performance of stationary microchannels under the influence of single and combined magnetic fields. Therefore, the ratio of thermal power absorbed from the microchannel surfaces to the pump power required for pumping fluid and changes in total Nusselt number compared to the absence of field has been used to compare and evaluate the thermal performance of stationary microchannels under single and composite magnetic fields. The results of the present study show that controlling the fluid flow caused by applying magnetic field and rotation around the coordinate axis can play a significant role in thermal performance of microchannel. For example, in the range of studied parameters, the total Nusselt number of stationary microchannels under the influence of Spiral flow resulting from the combination of single magnetic fields Bx and By (BxBy) compared to the stationary state and the absence of the field, increases by 137.7%. However, with the counter-clockwise and clockwise rotation of the microchannel under the influence of the BxBy combined magnetic field around the Z coordinate axis, the total Nusselt number can increase by a maximum of 161.4% or decrease by 62.4% compared to the stationary state and the absence of the field. In addition, by arranging the magnetic field and affecting a part of the microchannel while increasing the thermal performance of the microchannel, the increase in total pressure drop due to the application of the magnetic field can be significantly reduced.