آموزش شبیه سازی نانو سیال در انسیس فلوئنت – کاربردهای نانو سیالات در صنعت

نانوسیال ها سوسپانسیون هایی از ذرات معلق در مایع با ابعادی کمتر از ۱۰۰ نانومتر هستند که ضریب هدایت حرارتی ذرات جامد آن از سیال پایه بیشتر است. کاربردهای فراوان نانو سیالات در صنعت باعث شده است که آموزش شبیه سازی نانو سیال ها در انسیس فلوئنت یکی از موضوعات جذاب برای دانشجویان مقاطع دکترا و کارشناسی ارشد باشد.

فرآیند انتقال حرارت و استفاده از مبدل های حرارتی در اغلب صنایع کوچک و بزرگ وجود دارد. افزایش میزان انتقال حرارت و کارایی مبدل های حرارتی به معنی صرفه‌جویی میلیون‌ها دلار در هزینه‌های صنایع می باشد.

با رفتاری که نانوسیال از خود در زمینه انتقال حرارت نشان داده است می‌توان در محدوده وسیعی از صنایع مورد استفاده قرار گیرد. از جمله مزایا و قابلیت‌های نانوسیال می‌توان به بهبود انتقال حرارت، کاهش توان ورودی ، کاهش رسوب و انسداد مجاری و کاهش اندازه دستگاه های انتقال حرارت اشاره نمود.

کاربردهای نانو سیالات

کاربرد نانو سیال ها برای بهبود انتقال حرارت و پایداری

کاهش اندازه ذرات جامد توأم با افزایش تعداد آنها در واحد حجم ، منجر به افزایش سطح مخصوص می‌گردد. به طوری که سطح مخصوص ذراتی با اندازه نانو متری در حد هزار برابر سطح مخصوص ذرات با ابعاد میکرومتر می باشد. با کاهش ابعاد ذره به حدود نانومتر درصد بیشتری از اتم های آن در نزدیکی سطح قرار می‌گیرند.

با توجه به اینکه سطح یکی از پارامترهای موثر در میزان انتقال حرارت می باشد استفاده از نانو ذرات باعث ایجاد سطح بسیار بزرگ برای انتقال حرارت شده و همین عامل یک مزیت بالقوه برای نانوسیال به شمار می‌آید. مقایسه سطح ایجاد شده برای انتقال حرارت با سطح ذرات متداول در ابعاد میکرومتری بیانگر توانایی و قابلیت بالای نانو ذرات در افزایش انتقال حرارت و ایجاد سوسپانسیون پایدار می باشد.

مدل سازی نانو سیال ها در انسیس فلوئنت

شبیه سازی  نانو سیال ها در انسیس فلوئنت

امروزه نانو سیال ها و بررسی رفتار آن ها یکی از موضوعات مهم و مورد علاقه محققین به شمار می رود . برای بررسی رفتار نانو سیال روش های متعددی وجود دارد از جمله بررسی ازمایشگاهی و بررسی به کمک روش های عددی (انسیس فلوئنت).

انسیس فلوئنت یکی از نرم افزارهای توانمند در حوزه بررسی نانو سیال ها می­ باشد. در این نرم افزار نانوسیال ها با دو دیدگاه می تواند مورد بررسی قرار بگیرد.

  1. ·       دیدگاه همگن
  2. ·       دیدگاه ناهمگن

در دیدگاه همگن با استفاده از روابط مربوط به نانو سیال ها ، خواص و اثر این مواد را بر سیال پایه اعمال کرده و با استفاده از روش های تک فاز مورد بررسی قرار میگیرند.

اما در دیدگاه ناهمگن شبیه سازی به صورت چند فاز یا دو فاز در نظر گرفته شده که نسبت به  روش نخست جواب های دقیق تری را ارائه می دهد. این روش های عبارت است از :

  1. ·       Mixture
  2. ·       Eulerian
  3. ·       DPM

هر یک از این روش ها متناسب با خواسته محقق از شبیه سازی استفاده خواهد شد.

شما دوستان عزیر میتوانید با شرکت در دوره جامع انسیس فلونت علاوه بر یادگیری این نرم افزار،  مدل سازی و اعتبارسنجی و شبیه سازی نانوسیال ها در انسیس فلوئنت را به کمک شبیه سازی یک مقاله ISI فرابگیرید.

شبیه سازی و بررسی اثرات نانو سیال بر روی انتقال حرارت در رادیاتور در انسیس فلوئنت
در این مقاله ISI با اضافه کردن نانو سیال به سیال پایه رادیاتور اثرات غلظت های نانو سیال Al2o3 و  CuO مشاهده شده است. همچنین در این مقاله نحوه بدست آوردن پارامترهایی مثل ضریب اصطکاک در شبیه سازی نانو سیال ها در انسیس فلوئنت بررسی شده است.

برای مشاهده جزئیات بیشتر کلیک کنید

 

کاهش توان لازم برای پمپاژ سیال با استفاده از نانو سیال

روش متداول افزایش میزان انتقال حرارت جابجایی مستلزم افزایش سرعت سیال برای بالا رفتن عدد رینولدز و در نتیجه آن عدد ناسلت و ضریب انتقال حرارت جابجایی است. این افزایش سرعت در درون تجهیزات به نوبه خود مستلزم افزایش توان مصرفی می باشد. در مقابل با استفاده از نانو سیال در یک سرعت مشخص به دلیل افزایش هدایت حرارتی سیال ، انتقال حرارت نیز افزایش می یابد. همچنین کاهش هزینه انرژی و توان مصرفی پمپ از دیگر مزایای استفاده از نانوسیال ها می باشد.

کاهش انسداد مجاری و کاهش گرفتگی با استفاده از نانو سیالات

ایده افزایش انتقال حرارت با افزودن ذرات  سیال پایه قدمتی نزدیک به ۱۰۰ سال دارد. ذراتی که در تحقیقات قدیمی افزوده می‌شدند ابعادی در اندازه میکرومتر داشتند. این ذرات در سوسپانسیون پایداری لازم را نداشته و به سرعت ته نشین می شوند همین امر سبب می‌شود که مجرای عبور سیال به سرعت مسدود گردد. در حالی که استفاده از ذرات با اندازه نانو سوسپانسیون های پایین تری ایجاد می کرده و پایین بودن سرعت ته نشینی آنها سبب میگردد تا مشکل گرفتگی و انسداد مجرای به حداقل برسد از طرفی به علت بزرگی ذرات میکرومتری نمی‌توان آنها در مجرای میکروکانال ها استفاده کرد در حالی که اندازه ابعاد نانو ذرات این امکان را می دهد تا از نانو سیال بتوان در میکروکانالها نیز استفاده کرد.

حتما بخوانید #
آموزش تک پلات - اموزش رسم نمودار در تک پلات 360 - دانلود و نصب نرم فزار تک پلات 2018

کاهش اندازه دستگاه های انتقال حرارت

با توجه قابلیتی که نانوسیالات در افزایش انتقال حرارت،  برای میزان انتقال حرارت مشخص تجهیزات و  مبدل های حرارتی ، می توانند حجم و اندازه کوچکتری داشته باشند.

کاربردهای نانوسیال در صنعت در آینده

نانوسیال با داشتن هدایت حرارتی بالا و پایداری فوق العاده آن در آینده نزدیک در گسترده عظیمی از صنایع و زمینه‌هایی مانند حمل و نقل، هوافضا، میکرو الکترومکانیک، رآکتورهای هسته‌ای، تراشه‌های ابرکامپیوتر و … قابل استفاده هستند.

  • صنعت حمل و نقل

با استفاده از نانو سیال خواص حرکتی بسیار بهبود پیدا کرده و مقدار سیال مصرفی کاهش می یابد. در نتیجه می توان از رادیاتور های کوچک تری برای ماشین ها استفاده کرد.

  • صنعت هوا و فضا

استفاده از نانو سیال در مبدل های گرمایی منجر به کاهش چشمگیری در دبی سیال عامل می‌شود که در نهایت مبدل های گرمایی با اندازه وزن کمتر طراحی می‌شود که در صنایع هوافضا نیز نیاز به چنین سیستم‌هایی احساس می‌شود.

  • سیستم های میکرو الکترومکانیک

برای خنک کردن سیستم های میکرو الکترومکانیک که گرمایی بالایی ایجاد می‌کنند باید از کانال های بسیار باریک برای جریان سیال خنک کننده استفاده شود که سیالات معمولی توانایی لازم برای خنک‌کاری این سیستم‌ها را ندارد در حالی که نانوسیال ها بدون مسدود کردن کانال ها می توانند شار گرمایی بالای آنها را دفع کنند.

  • انرژهای تجدید پذیر

در تولید و ذخیره انرژی های تجدید پذیر مانند باتری های خورشیدی انتقال گرما به وسیله نانو سیال از گیرنده انرژی تا ذخیره سازی آن به صورت موثرتری عمل می‌کنند.

  • راکتورهای هسته ایی

با توجه به ویژگی نانوسیالات استفاده از آنها در نیروگاه هسته‌ای به عنوان سیال خنک کننده راکتور ها ، منطقی و اقتصادی می باشد. افزایش شار حرارتی بحرانی تا حدود ۲۰۰ درصد ، افزایش میزان حرارت دفع شده در هنگام بروز حوادث ناگهانی در راکتورها و افزایش ضریب ایمنی راکتورهای اتمی از جمله مزایا و پتانسیل های برجسته استفاده از نانو سیال ها در راکتورهای هسته‌ای به شمار می‌رود.

  • تراشه های ابر کامپیوتری

با توجه به خواص حرارتی مناسب نانو سیال می توان از آن در سیستم های محاسباتی با سرعت زیاد و تجهیزات الکترونیکی با توان بالا استفاده کرد

  • بیو داروها و نانو سیالات

از نانو سیالات به عنوان رساننده نانو دارو به سلول های معیوب و تومورها میتوان استفاده نمود. در این حالت با اعمال نیروی مغناطیسی نانو ذره فعال شده و باعث از بین رفتن سلول های بیمار بدون آسیب به دیگر سلول ها می شود که در اینجا از آن به عنوان سیال پایه استفاده می کنند.

استفاده از نانو سیالات در صنعت

روش های تهیه نانو سیال ها

نانوسیال را نمی توان از طریق افزودن نانو ذرات به سیال پایه تهیه نمود یا به عبارت دیگر نباید مانند یک اختلاط ساده جامد مایع در نظر گرفت. زیرا تهیه نانوسیال مستلزم ایجاد شرایط خاصی است برخی از این شرایط خاص عبارتند از یکنواختی پایداری سوسپانسیون،  توده ای شدن اندک ذرات و عدم تغییر ماهیت شیمیایی سیال.

برای رسیدن به چنین خاصیتی از راهکارهای مختلف می توان استفاده کرد. به عنوان مثال می‌توان از تغییر تهاجم محلول سوسپانسیون استفاده کرد. از مواد فعال سطحی ، مواد پراکنده ساز و ضد انعقاد ذرات و یا ارتعاش برای رسیدن به ویژگی‌های مذکور نام برد. این روش ها منجر به تغییر خواص سطحی ذرات معلق شده و خوشه‌های ذرات جهت ایجاد یک سوسپانسیون پایدار را تشکیل می‌دهند. با در نظر گرفتن ملاحظات ذکر شده شیوه‌های تهیه نانو سیال شامل دو روش تک مرحله ای و دو مرحله ای می باشد.

  • روش تک مرحله ایی

در روش تک مرحله ای ذرات موردنظر به صورت مستقیم در درون سیال پراکنده می‌شود به عنوان مثال برای تهیه نانو ذرات فلزی درون یک شیار ، بخار فلز مستقیماً به درون سیال پایه هدایت شده و به صورت ذرات فلزی چگالیده می گردد. این روش مناسبی برای تولید نانوسیال فلزی می باشد . در این روش سطح نانوذرات در معرض شرایط نامطلوب  قرار نداشته و پوشش ناخواسته‌ای بر روی آن تشکیل نمی گردد. به همین دلیل نانوذرات تهیه شده از این طریق بسیار تمیز است و این مسئله بیانگر مزیت روش تک مرحله ای می باشد. اما لازم به ذکر است که این روش موجب تراکم و تجمع ذرات درون سیال  می گردد.

  • روش دو مرحله ایی

در روش دو مرحله ای برای تهیه نانو سیال می توان از انواع ذرات با اندازه های مختلف استفاده کرد. در این روش نانو ذره یا نانوbلوله به صورت جداگانه آماده شده سپس به سیال پایه اضافه می‌شود. از آنجا که در این روش می‌توان نانوذرات و نانو لوله ها را به میزان بیشتر و اغلب آسان تر از روش تک مرحله ای تهیه نمود از نظر اقتصادی مقرون به صرفه بوده و برای کاربردهای صنعتی مناسب تر می باشد. در روش دو مرحله ای نیز باید مسئله توده شدن و نیز چسبندگی نانو ذرات را در نظر گرفت شکستن توده‌های ذرات و بازگرداندن آنها به وضعیت اولیه از جمله اقدام های اساسی است که در تهیه نانو سیال باید صورت بگیرد چرا که اندازه ذرات و نحوه توزیع هسته آن ها نقشی مهم  در تعیین رفتار حرارتی و هیدرولیکی برعهده دارد.

admin

دیدگاه کاربران ...

تعداد دیدگاه : 0

    لطفا قبل از ارسال سئوال یا دیدگاه سئوالات متداول را بخونید.
    جهت رفع سوالات و مشکلات خود از سیستم پشتیبانی سایت استفاده نمایید .
    دیدگاه ارسال شده توسط شما ، پس از تایید توسط مدیران سایت منتشر خواهد شد.
    دیدگاهی که به غیر از زبان فارسی یا غیر مرتبط با مطلب باشد منتشر نخواهد شد.

    دیدگاه خود را بیان کنید