اختصاصی از
فی ژوو دانلود مقاله انتقال گرما به وسیله نانوسیالات دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .
چکیده :
اخیراً استفاده از نانوسیالات که در حقیقت سوسپانسیون پایداری از نانو فیبر ها و نانورزات جامد هستند به عنوان راهبردی جدید در عملیات انتقال حرارت مطرح شده است .
تحقیقات اخیر روی نانو سیالات ، افزایش قابل توجهی را در هدایت حرارتی آنها نسبت به سیالات بدون نانوزات دیا همراه با ذرات بزرگتر (ماکرو ذرات) نشان می دهد . از دیگر تفاوت های این نوع سیالات ، تابعیت شدید هدایت حرارتی از دما ، همچنین افزایش فوق العاده فلاکس حرارتی بحرانی در انتقال حرارت جوشش آنهاست .
بیشترین افزایش هدایت حرارتی در سوسپانسیون نانو لوله های کربنی گزارش شده از این رو توجه بسیاری از دانشمندان در سالهای اخیر به استفاده از انواع نالوله ها در سیالات انتقال دهنده حرارت متمرکز شده است .
نتایج آزمایشگاهی بدست آمده از نانوسیالات نتایج قابل بحثی است که به عنوان مثال می توان به انطباق نداشتن افزایش هدایت حرارتی با تئوری های موجود اشاره کرد . این امر نشان دهنده ناتوانی این مدلها در پیش بینی صحیح خواهی نانوسیال است . بنابر این برای کاربردی کردن این نوع از سیالات در آینده و در سیستم های جدید ، باید اقدام به طراحی ، ایجاد مدلها و تئوری هایی شامل اثر نسبت حجم به سطح و فاکتورهای سیاست نانوذره و تصحیحات مربوط به آن کرد .
مقدمه
سیستم های خنک کننده ، یکی از مهم ترین دغدغه های کارخانه ها و صنایعی مانند میکروالکترونیک و هر جایی است که به نوعی با انتقال گرما رو به رو باشد با پیشرفت فناوری در صنایعی مانند میکرو الکترونیک که در مقیاس های زیر صد نانومتر عملیات های سریع و حجیم با سرعت های بسیال بالا (چند گیگاهرتز) اتفاق می افتد و استفاده از موتوهایی با توان و بار حرارتی بالا اهمیت بسزائی پیدا می کند ، استفاده از سیستم های خنک کننده پیشرفته و بهینه ، کاری اجتناب ناپذیر است . بهینه سازی سیستم های انتقال حرارت موجود ، در اکثر مواقع به وسیله افزایش سطح آنها صورت می گیرد که همواره باعث افزایش حجم واندازه این دستگاهها می شود ، لذا برای غلبه بر این مشکل به خنک کننده های جدید و موثر نیاز است و نانو سیالات به عنوان راهکاری جدید در این زمینه مطرح شده اند .
نانوسیالات متشکل از سوسپانسیونی از نانو ذرات جامد یا فیبر ها با اندازه کمتر از nm 100 در یک مایع پایه می باشد در واقع بخش خوب ذرات جامد در یک مایع عموماً به نام سوسپانیسون کلوئیدال شناخته می شوند . سیستم های کلوئیدال بسیار کاربرد دارند آنها در طبیعت در سلولهای زنده دیده می شود همچنین در بسیاری از واکنش های شیمیایی حضور دارند در بسیاری از سیستم ها واسطه پایه آب بوده و ذرات به صورت ماکرو مولکولها یا توده ای از مولکولها می باشند کلوئیدها به خاطر خصوصیات رئولوژیکالشان بسیار مورد توجه می باشد آنها رفتار برشی جالبی از خود بروز می دهند بسته به سرعت برش ، ضخامت و نازکی برشی می تواند مشاهده شود نازکی به یک کاهش در سیکوزیته موثر بر می گردد و ضخامت ناشی از افزایش در وسیکوزیته موثر می باشد .
مطالعه انتقال حرارت در جامدات بخش شده در مایعات در سالهای اخیر صورت گرفته ایوجا نشان داد که سوسپانسیون های پلی استایرن در ابعاد زیر میکرونی در محلول گلیسرین انتقال حرارت را افزایش می دهد یک مانع اصلی در استفاده از چنین ذرات میکرونی افزایش خوردگی و سایش در سیسم های مهندسی می باشد . با پیدایش نانوتکنولوژی . استفاده از نانو ذرات باعث ایجاد یک سیستم کلوئیدال پایدار گردید که بعدها به نام نانو سیالات شناخته شد . بر خلاف سوسپانیسون های میکرو ابعاد بخش نانویی می تواند سیستمی با استخکام بالا تشکیل دهد از این خاصیت در سیستم هایی که یک سیال برای انتقال انرژی مطرح است ، استفاده می شود . اولین افزایش انتقال حرارت با نانوذرات به وسیله ماسودا در ژاپن گزارش شد . گروه تحقیقاتی او اعلام کردند که هدایت دمائی سوسپانیسون فوق ریز از آلومینه سلیکا و اکسیدهای معدنی دیگر در آب به یک مقدار قابل توجه حداکثر %30 برای یک کسر جمعی %4.3 خواهد رسید در همان شرایط فاکتور اصطکاک تقریباً چهار برابر خواهد شد . در ایالات متحده چوی آزمایشگاه تحقیقاتی آرگون یک کلاس جدید از مهندسی سیالات با تحت عنوان فوق انتقال دهنده های حرارتی را در سال 1995 را ایجاد کرد و واژه نانوسیال نیز برای اولین بار توسط چوی به کار برده شد . ونگ نیز آزمایشاتی در زمینه هدایت حرارتی برای آلومینا و اکسیرس با استفاده از سیال پایه آب واتیلن گلیکول انجام داد . او مشاهده کرد که افزایش هدایت دمائی با کاهش سایز ذره بیشتر خواهد شد . این افزایش متناسب با کسر جمعی ذره ، در سیال پایه می شد . او برای ذرات آلومینا حداکثر افزایش %12 در یک کسر جمعی %3 و افزایش وسیکوزیته %30-20 را مشاهده کرد او پی برد که وسیکوزیته یک بستگی درجه دوم به کسر جمعی %3 و افزایش وسیکوزیته %30-20 را مشاهده کرد او پی برد که وسیکوزیته یک بستگی درجه دوم به کسر جمعی ذرات دارد در حالی که این بستگی برای هدایت دمائی به صورت خطی می باشد . در یک مطالعه مشابه پاک یک افزایش سه برابر در ویسکوزیته برای آلومنیا در همان کسر حجمی اعلام کرد .با توجه به این مطالب واضح است که هموژناسیول سازی نانوسیالات باید با توجه به پارامترهای اندازه ، کسر جمعی ، شکل ذرات و دما .... بهینه سازی گردد قبل از اینکه به عنوان یک انتخاب برای افزایش انتقال حرارت عنوان شوند . ایست من در سال 2001 نشان داد که ذرات مس nm10 در اتیلن گلیکول می توانند هدایت را تا %60 حتی در صورت اضافه شدن به مقدار بسیار کم (کمتر از %3 .0) برسانند با اکسید مس افزایش به مقدار %20 برای کسر جمعی %4 خواهد رسید . این نتایج به طور واضح اثر سایز ذره را روی افزایش هدایت نشان می دهد . البته ما باید به اثر سایز کوانتومی در چنین ابعادی توجه کنیم . در باره چنین اثراتی بسیار بحث شده است مثلاً پاتل نشان داد که با همان نسبت سطح به حجم می توانیم به شرایط هدایت دمائی مختلفی در صورت استفاده از مواد مختلف برسیم . این موضوع اشاره می کند به این مطلب کوانتومی پدیده انتقال بی اهمیت نمی باشد . داس هدایت دمائی ذرات آلومنیا و اکسید مس در آب را برای رنج های دمائی مختلف از 50C-20 و شرایط باردهی مختلف بررسی کرد آنها یک افزایش خطی بین هدایت حرارتی و دما مشاهده کردند اما برای همان کسر حجمی آهنگ افزایش برای اکسید مس بیشتر از آلومینا بود برای نانوذرات طلا در تولوئن هم آزمایشات تکرار شد و مشخص شد در کسرهای جمعی بزرگتر افزایش هدایت های حرارتی استفاده از نانو لوله های کربنی یک ایده ال جدید در مبحث نانو سیالات می باشد . این نکته حائز اهمیت است که کربن ویژگی آب گریزی دارد و نمی تواند در آب بدون حضور سورخک تنت ها بخش شود . چوی افزایش قابل توجه در هدایت حرارت برای نانولوله های کربنی چند دیواره (MWNT) در سوسپانیسون روغنی را گزارش داد . نتایج نشان می داد که بر خلاف نانو پودر ها هدایت دمائی یک تغییرات درجه دو با کسر حجمی دارد . برای %1 جمعی نانو لوله ها یک افزایش %250 در هدایت دمائی روغن نشان دادند که بسیار قابل بیشتر بوده و خیلی بیشتر از مشاهدات ما از ذرات نانوئی اکسید می باشد .
با توجه به مطالب فوق می توان گفت نانو سیالات به علت افزایش خواص حرارتی توجه بسیاری از دانشمندان را در سالهای اخیر به خود جلب کرده اند به عنوان مثال مقدار کمی (حدود یک درصد جمعی) از نانو ذرات مس یا نانو لوله های کربنی در اتیلن گلیکول یا روغن به ترتیب افزایش 40 و 250% در هدایت حرارتی این سیالات ایجاد می کنند . در حالی که برای رسیدن به چنین افزایشی در سوسپانسیونهای معمولی به غلظت های بالاتر از ده درصد از ذرات احتیاج داریم این در حالی است که مشکلات دئولوژیکی و پایداری این سوسپانسیونهای معمولی به غلظت های بالاتر از ده درصد از ذرات احتیاج داریم این در حالی است که مشکلات دئولوژیکی و پایداری این سوسپانسیون های در غلظت های بالا مانع از استفاده گسترده از آنها در انتقال حرارت می شود . در برخی از تحقیقات هدایت حرارتی نانو سیاست چندین برابر بیشتر از پیش بینی تئوری هاست و از نکات جالب دیگر تابعیت شدید هدایت حرارتی نانوسیالات از دما و افزایش تقریباً سه برابر فلاکس حرارتی بحرانی آنها در مقایسه با سیالات معمولی است . این تغییرات در خواص حرارتی نانوسیالات فقط مورد توجه محققان نمی باشد بلکه در صورت موفقیت آمیز و تأیید پایداری ، آنها می توانند آینده ای امیدوار کننده در مدیریت حرارتی صنعت را رقم بزنند البته از سوسپانسیون نانوذرات فلزی در دیگر زمینه ها از جمله صنایع داروئی و درمان سرطان نیز استفاده شده و تحقیق در زمینه نانو ذرات دارای آینده بسیار گسترده ای می باشد .
برای اینکه از لحاظ کمیتی نیز اسمیت استفاده از نانو ذرات در بهبود خواص حرارتی سیالات مشخص شود در شکل 1 ظریب هدایت حرارتی برای سیالات رایج در سیستم های مهندسی و در جدول 1 مقادیر ظرایب انتقال حرارتی برای بعضی مواد بالک نشان داده شده است . (1) و (2) و(3)
شکل 1: محدوده ظرایب هدایت حرارتی برای محلولهای مهندسی رایج
جدول 1: ظرایب هدایت حرارتی چندین نوع مایع و جامد
تهیه نانوسیالات :
بهبود خواص حرارتی نانوسیال احتیاج به انتخاب روش تهیه مناسب این سوسپا نسیون ها دارد تا از ته نشینی و ناپایداری آنها جلوگیری شود متناسب با کاربرد انواع بسیاری از نانو سیالات از جمله نانو سیال اکسید فلزات ، نیتریت ها ، کاربید فلزات و غیر فلزات که به وسیله و یا بدون استفاده از سورفکتت ها در سیالاتی مانند آب ، اتیلن گلیکول و روغن به وجود آمده است ، مطالعات زیادی روی چگونگی تهیه نانوذرات و روش های پراکنده سازی آنها در سیال پایه انجام شده است که در اینجا به طور مختصر چند روش متداول را که برای تهیه نانو سیالات وجود دارد ذکر می کنیم .
روش دو مرحله ای : در این روش ابتدا نانو ذره یا نانو لوله معمولاً به وسیله روش رسوب بخار شیمیایی (CVD) در معنای گاز پی اثر به صورت پودرهای خشک تهیه می باشد (شکل 2: وسط) در مرحله بعد نانوذره یا نا نو لوله در داخل سیال پراکنده می شود برای این کار از روشهایی مانند لرزاننده های ما فوق صوت و یا از سورفکتنت ها استفاده می شود تا فکوخدای شدن نانوذرات به حداقل رسیده و باعث بهبود رفتار پراکندگی شود روش دو مرحله ای برای بعضی مواد مانند اکسید فلزات در آب دیونیزه شده بسیار مناسب است و برای نانو سیالات شامل نونوذرات فلزی سنگین کمتر موفق بوده است .
این روش دارای مزایای اقتصادی بالقوه ای است زیرا شرکت های زیادی توانائی تهیه نانو پودرها در مقیاس صنعتی را دارند .
2- روش تک مرحله ای : روش تک مرحله ای نیز به موازات روش دومرحله ای پیشرفت کرده است به طور مثال نانوسیالاتی شامل نانو ذرات فلزی با استفاده از روش تبخیر مستقیم تهیه شده اند در این روش منبع فلزی تحت شرایط حنأ تبخیر می شود (شکل 2: چپ) در این روش تراکم توده نانوذرات به حداقل خود می رسد اما فشار بخار پایین سیال یکی از معایب این فرایند محسوب می شود ولی با این حال روشهای شیمیایی تک مرحله ای مختلفی برای تهیه نانوسیال به وجود آمده است که از آن جمله می توان به روش احیای نمک فلزات و تهیه سوسپانسیون ها آن در حلالهای مختلف برای تهیه نانوسیالات فلزی اشاره کرد (شکل 2: راست) مزیت اصلی این روش تک مرحله ای کنترل بسیار مناسب روی اندازه و توزیع اندازه ذرات است .(2) و (3) و (4)
شکل 2: تصاویر TEM از نانوسیال مس (چپ) نانوذرات اکسیدس (وسط) و ذرات کلوئیدی طلا – سرب (راست) که در مطالعات مقاومت فصل مشترک استفاده شده اند . ذرات اکسید مس حالت خوشه ای دارند و کلوئیدهای طلا سرب توزیع مناسب و اندازه یکسان دارند .
جدول 2 لیست کتاب آزمایشگاهی مربوط به روش تولید برای نانو سیالات مختلف
سیستم نشان داده شده در شکل 3 شامل یک روش تبخیر تک مرحله ای برای آماده سازی نانو ذرات فلزی در مایع پایه در شرایط خئا می باشد . وقتی نمونه های وقتی در هیتر گرم می شوند آنها می توانند به همدیگر در محفظه خئا فشار وارد کرده و به صورت ذرات نانو ابعاد یا خوشه ای شکل در بیابند سپس نانو ذرات به سطح مایه زمینه جاری نزدیک شده و با آن مایع پوشانده می شوند . و این مایع از اتصال نانوذرات با یکدیگر ممانعت به عمل می آورد . سیستم در شرایط خئا 2.SXL.storr قرار دارد .
شکل 2: نمایی از سیستم VERL
در این آزمایش نانو ذرات Ag .Cu به ترتیب در روغن سلیکون و پارافین مایع پراکنده شده اند شکل 3 تصاویر TEM این نانو سیالدت را نشان می دهد . ذرات فلزی یک توزیع خوب در مایع زمینه دارند و کلوخه ای شکل به سختی پیدا می کند .
شکل 3 : تصاویر TEM a: ذرات نقش پیش آماده سازی شده و b: ذرات س بیش آماده سازی شده .
مدلسازی نانو سیالات :
تلاش زیادی برای توصیف رفتار غیر عادی مشاهده شده در نانوسیالات با استفاده از تئوری کلاسیکال ماکسول برای مواد کامپوزیت صورت گرفته است . این تئوری برای سیستم های هموژن با وارد کامپوزیت ایزد تروپیک با ذرات کروی توزیع شده به صورت تصادفی که اندازه یکنواختی دارند و همچنین برای سوسپانیسون های رقیق به کار می رود .
مدلهای موجود به دو گروه طبقه بندی می شود :
1- مدلهای استاتیک : در این مدلها فاند ذرات ساکن در سیال پایه به عنوان یک کامپوزیت فرض می شوند که خصوصیات انتقال حرارتی آنها بوسیله مدلهای بر پایه هدایت نظیر ماکسول و هامیلتون – کرد سر بیان می شود .
2- مدلهای دنیامیک : این مدلها برای مبنای حرکات تصادفی خباجی در نانوذرات می باشد که این حرکت مسئول انتقال انرژی به طور مستقیم یا غیر مستقیم در نانو سیالات می باشد . انتقال انرژی مستقیم به صورت برخوردها بین نانوذرات و انتقال انرژی غیر مستقیم به صورت جابجایی نظیر : هدایت هدایتی ، هدایت الکتریکال ، ثابت دی الکترونیک و نفوذ مغناطیسی به کار می رود فرمولاسیون ماکسول برای ذرات در غلظت های پایین و نیز ذرات در رژیم های میکو متری نتایج قابل قبولی می دهد . هامیلتون و کروسر (H2C) مدل تئوری ماکسول را برای نانوذرات کروی اصلاح کردند این مدل پایه بسیاری از مدلهائی که برای نانوسیالات بکار می روند می باشد .
تئوری ماکسول :
تئوری ها میلتون و کروسر
: نسبت هدایت حرارتی ذره به سیال ، سکر حجمی با غلظت ذرات بخش شده . n: فاکتور شکل مربوط به به اختلاف در شکل ذرات است . برای ذرات کروی n=3 می باشد و در این ذرات واضح است که معادلات H&C برابر با معادلات ماکسول می باشد . مقایسات اخیر برای نانو اکسیدها نشان داد که تئوری H&C رفتار درستی را پیش بینی می کنند اما افزایش مشاده شده خیلی بیشتر از مقدار پیش بینی شده بوسیله تئوری می باشد . وقتی تئوری برای نانو ذرات بسیار خالص فلزی مثلاً Cu , Au قسمت شده هدایت دمائی موثر بدست آمده از تئوری H&C تقریباً یک درجه از بزرگی را داشتند . به علاوه رفتار در کسرهای جمعی کوچک غیر خطی بود .
واضح است که افزایش هدایت حرارتی فقط تابعیت کسر جمعی و نسبت هدایت ها ندارد بلکه به اندازه ذرات نیز وابسته است . اما تئوری H&C هیچ وابستگی به اندازه ذرات برای پیش بینی دقیق ندارد .
کبلینسکی چهار مکانیزم ممکن را برای رفتار هدایتی غیر عادی مشاهده شده در نانو سیالات به کار برد . اول اینکه اول تئوری ماکسول و اصلاحات مربوط را نپذیرفت چرا که این روابط بستگی واضحی به اندازه ذره ندارد . او یک مشاهده کلیدی را در نظر گرفت که انتقال حرارت قدیا وابسته به حرکات براونی ذرات می باشد . هر چند محاسبات بیانگر اثرات کوچک حرکات براونی هستند . این نتیجه ممکن است اثبات نشود زیرا مقالات اخیر افزایش هدایت حرارتی در دماهای بالاتر را به حرکت براونی مربوط کرده اند .
لایه های مایع اطراف ذرات مکانیزم دیگری بود که توسط کبلینسکی مطرح شد . ایده پایه این است که مولکولهای مایع می توانند یک لایه اطراف ذرات جامد تشکیل داده و محدوده هندسی ذره را افزایش می دهد . از آنجا که انتقال فونون در جامدات کریستای خیلی موثر است . بنابراین در این سیستم افزایش انتقال حرارت را خواهیم داشت .
مکانیزم سوم مربوط به طبیعت انتقال در نانو ذرات می باشد . مقالات زیادی به این نکته اشاره می کند که مکانیزم انتقال و نفوذ مصالح در محدوده نانو ذرات معتبر نیست و انتقال حرارت در نانو ذرات بالستیک است . چون در انتقال با کستیک یا در انتقال فونونهای انتشار یافته ذرات جامد ضرورتاً در یک دمای ثابت می مانند ، شکل مرزی ثابتی برای انتقال حرارت در مرزها ایجاد می شود به علاوه اگر فونون های بالستیک وارد یک ذره شود می توانند ارتعاش را به ذرات جامد دیگر انتقال داده و انتقال حرارت را به طرز برجسته ای افزایش دهند . مسیر آزاد متوسط فونونی در مایعات خیلی کوچک است . زیرا بزرگی هندسی محدود به قطر اتم های کوچک می شود . از آنجا که ذرات به طور پیوسته با حرکت براونی جابجا می شود امکان این وجود دارد که بعضی اوقات انتقال فونونی پیوسته حتی در غلظت های کم ذرات صورت گیرد . شاید مکانیزم های فوق در تجسم انتقال حرارت در نانو سیالات درست باشند . ما بعداً نشان خواهیم داد که شبیه سازی دینامیکی مولکولی با پذیرش پتانسیل بین اتمی می تواند انتقال فونونی پیچیده در بالک و فصل مشترک نانو ذرات را توصیف کند .
اولین شبیه سازی میکروسکوپیک با ابعاد بزرگ به وسیله باهاتا چاریا انجام شد او فرض کرد که ذرات نانو خیلی بزرگتر از ذرات سیال پایه یا حلال هستند بنابراین ذرات حلال حذف شده و اثرشان بوسیله یک ترکیب از نیروهای اصطکاکی و راندمی نشان داده می شود . سپس به ذرات محلول اجازه داده می شود تا مطابق با قانون حرکت دوم نیوتن جابجا شود یفروهای روی ذرات محلول با فرض یک پتانسیل تجربی در بعدی به صورت زیر داده می شوند .
که d قطر ذرات r فاصله می باشد و B,A ضریب هستند که از باز تولید داده های آزمایشگاهی بدست می آید . نتایج شبیه سازی برای ذرات اکسید رفتار درستی را نشان می دهد در این شبیه سازی ما از پتانسیل های بین اتمی مناسب استفاده کرد و سپس شبیه سازی دینامیکی مولکولار را انجام می دهیم .
جانگ با در نظر گرفتن حرکت براونی به عنوان مکانیزم اصلی انتقال حرارت در نانوسیالات فلاکس حرارتی را برای ذرات مختلف به فرم زیر بیان کرد .
که در مسیر آزاد متوسط . مولکولی cu ظرفیت حرارتی بر واحد حجم ، کسر حجمی ذرات و h,T دمار هدایت حرارتی می باشد فرم بالا از یک تئوری سینتیک خام گرفته شده و به طور مستقیم برای مایعات بدون تصحیح قابل کاربرد نیست . بنابراین او ابتدا فرض کرد که انتقال حرارت در اثر برخوردهای مولکولی در مایعات چگال می باشد . برای توصیف انتقال حرارت بین ذرات وسیال یک مدل میکرو جایجائی در نظر گرفته شده . این فرضیات بسیار اختیاری بود و اعتبار آنها سوال انگیز است . نهایتاً رفتار جابجائی ماکرو ابعاد در ابعاد نانوئی در نظر گرفته شد بوسیله تصحیحات صورت گرفته برای جریان اطراف یک حکره جامد . دوباره این فرضیات نیاز به معتبر سازی دارند . خطوط جریان بحرانی در ارزیابی عدد رینولدز به صورت زیر تعریف می شوند .
که V سرعت در حرکت تصادفی نانوذرات و d قطر ذره است سرعت سپس محاسبه می شود به صورت که D ضریب نفوذ انیشتن ، >f مشخصه مسیر آزاد متوسط مولکولهای سیال است .
اگر معادله 6 در 5 جانشین کنیم می فهمیم که عدد رینولدز مستقل از سایز ذره است . البته فرض شده که مسر متوسط مایع مستقل از قطر ذرات در سوسپانسیون رقیق می باشد و عدد رینولذز به طور خطی بستگی به قطر دارد.
مدل دیگر که بوسیله کمر دنبال شد برای تخمین هدایت حرارتی در نانوسلاات استفاده از قانون هدایتی فوریه و ایدهای مشتمل بر تئوری سینتیکی می باشد این مدل به توضیح انتقال حرارت غیر عادی مشاهده در نانو سیلاات برای دماهای مختلف و قطرهای مختلف نانو ذرات می پردازد . این روش به مدل کردن استاتیکی و سینتیکی ذرات پرداخت و نهایتاً یک به وابستگی به صورت مکعبی معکوس بین قطره ذرات و هدایت حرارتی نشان می دهد .
خصوصیات انتقالی با استفاده از دینامیک مولکولدار :
در اینجا ما یک تکنیک عمومی برای تعریف خصوصیات انتقالی نانو سیالات معرفی می کنیم ضرایب انتقال ، خصوصیات سیالات را تحت شرایط غیر تعادلی نشان می دهند . برای مثال هدایت دمایی یک خصوصیت همراه شده با انتقال حرارت است . همین طور ضرایب ویسکوزیته و نفوذ نیز به انتقال موفتوم و جرم مربوط شده اند . این ضرایب عموماً به عنوان یک ثابت داده شده و در قالب مکانیزم پیوسته شناخته می شوند . به عبارت دیگر تئوری پاسخ خطی در مکانیک آماری کیف تئوری برای محاطبه همه ضرایب انتقال با استفاده از توابع وابسته زمانی فراهم می آورد . این توابع افت و خیر دمائی در سیال را نشان می دهند . این توابع همچنین توصیف پاسخ سیال به یک اغتشاش خارجی می باشند بنابر این تئوری پاسخ خطی ضرایب انتقالی را در شرایط تعادلی ارزیابی می کنند . توابع وابسته زمانی به وسیله شبیه سازی دینامیک مولکولدار MD ارزیابی می شود و می توانند بوسیله متوسط تغییرات دینامیکی روی زنان محاسبه شود . تنها ورودی برای یک شبیه سازی MD علاوه بر شرایط اولیه پتانسیل بین اتمی می باشد . در شبیه سازی MD ما مولکولها را مستقیماً بدون هیچ فرض ساده سازی شبیه سازی می کنیم . مولکولها از قوانین کلاسیکی مکانیک نیوتن تبعیب می کنند . فرم بسته جواب برای یک مسأله n عضوی به جز برای n=z موجود نیست عملاً ممکن است تا معادلات کوپل شده حرکت هر مولکول در زمان را با استفاده از تکنیک های عددی انتگراسیون کنیم در MD حرکت مولکولها یا اتم ها نسبت به هم بر اساس پتانسیل های بین اتمی می باشد . این پتانسیل ها از طریق آزمایشگاهی برای موادی نظیر آرگون و کربن بدست آمده اند برای دسته دیگری از مواد نیز با استفاده از تئوری توابع شدت یا تکنیکهای مکانیک کوانتومی مقادیر دقیق پتانسیل های بین اتمی بدست آمده اند . بنابر این تئوری می توانیم نانوسیالات پیچیده از بسیاری از مواد مختلف را بدون هیچ فرض ساده کننده ای شبیه سازی کنیم هر ضریب انتقالی می تواند مستقیماً از معادلات دینامیک سیالات پیوسته بعد از محدوده طول موج طولانی (k کوچک) از فرم معادلات انتقال خرید بدست آید . منبت های بین توابع وابسته و ضرایب انتقالی به عنوان نسبت های گرین . کربو شناخته می شود این روابط برای ضرایب نفوذ به فرم زیر داده می شود .
که Cxg تنسور تنش برشی است .
Zxg=
fij نیروی بین اتم و rij فاصله بین آنها است .
هدایت دمائی بهص ورت زیر محاسبه می شود .
K=
که J فلاکس انتقال حرارت است .
J=
در ادامه ، بعضی از نتایج شبیه سازی MD روی سیستم های ساده را انجام می دهیم . پتانسیل ندارد جوشز6-12 برای شبیه سازی یک مایع چگال استفاده می شود . ضرایب انتقال نیز از روابط گرین – کوبو محاسبه می شود . در MD ، واحدهای کاهشی یا بی بعد غالباً استفاده می شود . دانسیته کاهشی به صورت f=fE3 داده می شود که E پاراستر طول در پتانسیل لنارد جوئز است به طور مشابه امای کاهش T=TBT/4 است که 4 ثابت پاراستر انرژی (l می باشد . شکل (6) نشانگر تابع توزیع شعاع RDF با یک دانسیته کاهش 0.9 و دمای کاهش 1 برای پیدا کردن احتمال حضور یک اتم روی عنصر dr در فاصله r از اتم است . و به عبارت کوتاه توصیف یک فضای کروی اطراف یک اتم بالا ترین پیک مربوط به نزدیکترین ، همسایه می باشد .
شکل 6 RDF برای یک مایع چگال
شکل S تابع وابسته صدق VCF را نشان می دهد همان طور که قبلاً ذکر شد مساحت تحت این منحنی یک اندازه گیری از ضرایب نفوذ در مایعات را می دهد .
شکل S VCF برای مایع چگال
مقدار منفی می گوید که اتم ها پرا کنش رو به عقب دارد یا در یک تله برای یک دوره کوتاه زمانی گیر افتاده اند . تاج وابسته تنشی SCF در شکل 6 نشان داده شده مساحت تحت این منحنی گراندوی دینامیکی مایع را می دهد .
شکل SCF6 برای یک مایع چگال
به طور مشابه در منحنی 7 مساحت تحت تابع وابسته فلاکس حرارتی HCF هدایت دمائی را می دهد .
شکل 7 HCF برای یک مایع چگال
شکل های 8 و9 نیز به ترتیب وابستگی فلاکس حرارتی و تنش را نشان می دهند .
شکل 8 SCF با پتانسیل اصلاح شده
شکل 9 HCF با پتانسیل اصلاح شده
در شکل این توابع کاملاً متفاوت از اشکال پالد است که این امر ثابت می کند که تغییرات در پتانسیل بین اتمی ناشی از پراکنش در طول ناحیه شبیه سازی است که اثر قابل توجهی روی خصوصیات انتقالی می گذارد .
نتایج MD در محاسبه انتقال حرارت بعضی نانو سیالات :
تحقیقات زیادی مبنی برای MD در محاسبه انتقال حرارت بعضی نانو سیالات :
تحقیقات زیادی مبنی برای محاسبه خصوصیات انتقال حرارتی نانو سیالات با استفاده از شبیه سازی مولکولهای انجام شده مثلاً برابر هدایت دمائی نانو لوله کربنی (10 . 10) با MD محاسبه نموده و در محیط ایزوله و در دمای اتاق مقدار غیر عادی 6600 را گزارش است که قابل مقایسه با یک شبکه گرافن مونولایه در الماس می باشد او این مقدار بالا را مربوط به مسیر آزار فونونی بزرگ در نانو لوله نمود . هدایت دمائی نانو لوله کربنی چند دیواره بوسیله KM مقدار 3000 و مسیر آزاد فونونی SOOMM گزارش شد در حالی که گرافین بالک یک هدایت دمائی کمتر از 100 دارد که خیلی کمتر از ساختارهای کوانتومی می باشد در یک تحقیق مقدار هدایت دمائی نانو لوله کربی پر شده با فولرین C60 محاسبه شد و یک مقدار فوق العاده 000 40 در h100 گزارش شد . در دمای اتاق میزان هدایت این سیستم در برابر نانو لوله تنها می باشد . دلیل این افزایش فوق العاده می تواند جاری شدن بیشتر فونون های در سیستم باشد . و نیز جلوگیری از سفت شدن نانولوله ها بوسیله نیروهای بین فولرین و لوله ها می باشد . (1) و (6)
اندازه گیری هدایت دمایی نانوسیالات
روش سیم – داغ – زود گذر یک روش مهم برای اندازه گیری هدایت دمایی می باشد که بطور گسترده ای برای اندازه ِری هدایت دمایی نانو سیالات استفاده شده است . این سیستم شامل استفاده از سیم های داغ حساس ساخته شده از آلیاژ کرومیم – نیکل با یک روشک تفلونی می باشد در مقایسه با سیم پلدتینیوم آلیاژ بنکل – کرومین ارزان تر بوده و خطای کمتری در اندازه گیری هدایت الکتریکی سیال دارد .
معادله به کار رفته برای توصیف این روش به صورت
می باشد که T(t) دمای سیم فرو رفته در سیالات در زمان t ، t1 دمای اولیه سیال در ظرف ، q توان ورودی بر متر سیم حساس k هدایت دمائی ،D نفوذ دمائی سیال ،r شعاع سیم حساس و Lnc ثابت اولی است . فرض می کنیم یک نسبت خطی بین تغییرات در Lnt و دما ،هدایت دمائی k می تواند مطابق با اصل فوریه به صورت زیر محاسبه می شود .
K=
شکل زیر سیستم اندازه گیری هدایت دمایی را نشان می دهد . سیم حساس به کار رفته در این سیتسم آلیاژ Ni-Cr با قطر 0.2nm با روکش تفلون می باشد . سیم روی فیبر شیشه ای نگهدارنده ثابت شده و به طور عمدی در یک سل شامل looml از نمونه نانوسیال غوطه ور می باشد . تمام سیستم به یک مدار سیر کولدر دمائی برای ثابت نگه داشتن دما در c30 متصل است . نمونه در این آزمایش آب ری یو نیزه و نانوسیال شامل %101 و %202 نانوذرات cuo با قطر متوسط 85nm می باشد هر نمونه 20 بار با طول زمانی 10see آزمایش می شود زمان اندازه گیری برای اجتناب از جریان همرفت که بر دقت آزمایش اثر می گذارد کوتاه در نظر گرفته می شود .
شکل 10: سیستم اندازه گیری هدایت دمایی
با توجه به متوسط توان ورودی و ولتاژ خروجی از معادله 16 نسبت پارامترهای الکتریکال نانو سیال و مایع پایه بدست آمده و سپس نسبت افزایش هدایت دمائی از نسبت آنها محاسبه می شود .
شکل 11 و 12 نتایج اندازه گیری را نشان می دهند همان طور که در شکل می بینیم رفتار هر دوی ولتاژ خروجی و توان ورودی شروع به معکوس شدن در 8sec می نمایند . از آنجا که یک نسبت خطی بین دما و هدایت دمایی وجود دارد بنابر این ما فقط متوسط توان دودی qarg و اختلاف در ولتاژ خروجی dvout در 1-6sec برای محاسبات در نظر می گیریم .
شکل 11. توان ورودی نمونه های مختلف
شکل 12. ولتاژ خروجی نمونه های مختلف
شکل 2 توان ورودی سهیم حساس را نشان می دهد همان طور که مشاهده می کنیم آب دیونیزه توان ورودی کمتری از نانو سیالات دارند . تحت همان ولتاژ خوان ورودی پایین بیانگر مقاومت حساس است که به دمای بالا و مقاومت دمائی پایین اشاره می کند . شکل 3 ولتاژ خروجی نمونه را نشان می دهد . هدایت دمائی بالا به بخش حرارتی بهتر اشاره می کند . در یک دمای ثابت ، تغییرات کوچکتر در دمای سیم حساس و مقاومت همچنین بیانگر اختلاف کوچکتر در ولتاژ خروجی می باشد .
جدول 3 مقایسه نسبت افزایش هدایت دمائی بدست آمده بوسیله سیستم های اندازه گیری مختلف
همان طور که در جدول 3 می بینیم هدایت دمائی نانو سیالات cuo %101 و %202 به ترتیب %508 و %906 افزایش می یابد . که داده ها بیانگر مقایسه اندازه گیری ها به وسیله سیستم های اندازه گیری مختلف می باشد .
هدایت حرارتی نانو سیالات
هدایت حرارتی نانو سیالات بیشترین مطالعات را به خود اختصاص داده است . عمده تحقیقات نیز به مسأله هدایت حرارتی در سیالات ساکن پرداخته اند . از آنجا که نانو سیل جزء مواد مرکب و کامپوزیتی محسوب می شود هدایت حرارتی آن به وسیله تئوری متوسط موثر بدست می آید که به وسیله موسوتی ، کلازیوس ، ماکسول و لوارانزا در قرن 19 بدست آمد اگر از تأثیرات سطح مشترک نانوذرات کروی صرفه نظر شود در مقادیر بسیار اندک نانو ذرات با جزء حجمی همه مدلهای منتخ از تئوری متوسط موثر حل یکسانی دارد در مواردی که نانوذرات دارای هدایت حرارتی بالائی باشند پیش بینی می شود که افزایش هدایت حرارت نانو سیال 3 خواهد شد که این پیش بینی تخمین خوبی برای مواردی است که هدایت ذرات بیشتر از 20 برابر هدایت سیال باشد . همان طور که در شکل زیر نشان داده شده بسیاری از تحقیقات تطابق خوبی با این پیش بینی دارد . البته مقاومت سطح مشترک نانوذره و سیال اطراف آن پیش بینی این تئوری را کاهش می دهد . البته هر چه ذرات ریزتر باشند این مقاومت کاهش پیدا می کند در غلظت های بالای نانو ذرات اگر توده های نانو ذره کوچک باشد ، تئوری متوسط موثر جواب خوبی می دهد . زیرا توده نانو ذرات فضای بیشتری نسبت به نانو ذرات منفرد اشغال می کنند و بنابر این جزء حجمی توده بیشتر از نانوذرات منفرد است . در توده های مستراکم نانوذرات دانسیته نسبی تقریباً 60 درصد است و در مواردی که توده ها از نظر وضعیت ساختمانی بازتر باشد افزایش بیشتری را مشاهده می کنیم (شکل 16) که نتایج آزمایشگاهی نیز همین وضعیت را نشان می دهد . البته هدایت حرارتی نانو ذرات توده ای کوچکتر از ذرات منفرد است . هر چند که عامل مهمی در مقابل هدایت حرارتی بالای نانوذرات محسوب نمی شود .
جدول : هدایت دمائی مایعات و جامدات مختلف
شکل 13: ارتباط هدایت الکتریکی با جزء جمعی نانوذرات . بر اساس تئوری میانگین متوسط برای نانو ذرات بسیارها دی (خط چین پایین) و مدل کلوخه های متراکم
شکل 14: پیش بینی هدایت حرارتی کامپوزیت ها ( نرمال شده بر اساس هدایت ماتریکس) به عنوان تابعی از جزء جمعی پر کننده .(مربع توپر) ذرات با توزیع مناسب(دایره):
باندهای هدایتی :
در این بخش حدود فوقانی و تحتانی برای هدایت حرارتی در شرایط یکنواخت برای مخلوط مایع و ذره توصیف می شود این حدود اولین بار توسط الرود در شرایطی که هدایت تنها مد انتقال حرارت در سیتسم بود معرفی شدند هدایت واقعی بین این مرزها قرار می گیرد . متوسط هندسی مرزها Kgeometric= یک تخمین خوب در هدایت دمائی موثر سیستم فراهم می آورد مخلوط شامل تعداد زیادی از سلولها می باشد که می توانند با یک سلول پایه نمایش داده شود به صورت یک ذره کروی در یک مکعب که در شکلهای 20 و 21 دیده می شود . بنابر این مخلوط به صورت ذرات یکسانی که در سراسر یک واسطه پیوسته بخش شده اند مدل می شود . هدایت دمائی ذرات و سلول پایه با مقادیر ثابت ha , kp نشان داده می شود شرایط مرزی سلول از تقارن تأیین و شکل 20 نشان داده شده اند . چهار وجه سلول موازی با جهت انتقال حرارت آریا باتیک هستند و دو وجه دیگر ایزومتر باشد . حرارت از طریق وجه بالا و وارد سلول و از وجه پایین خارج می شود .
شکل 20: ذره کروی در سلول مکعبی و باند تحتائی آدیا باتیک های و موازی
- باندهای تحتانی : آدیاتیک موازی
ذرات معمولاً هدایت دمائی خیلی بزرگتر در مقایسه با مایعات پایدارند kp>>km بنابر این مقاومت دمائی ذرات نادیده گرفته می شود مطابق شکل دو سیر موازی در جریان حرارتی Q2,Q1 برای یک ذره با شعاع rp در یک سلول پایه با ابعاد 2a وجود دارد بعد از محاسبات جبری خواهیم داشت .
که مربوط به کسر حجمی مخلوط می شود .
بنابراین فرم دیگر معادله 17 به صورت زیر می باشد .
Q1=-
انتقال حرارت از سیال پایه می تواند بدست بیاید از
Q2=2akm
شکل زیر داده های مربوط به تغییرات نسبی در هدایت دمائی نانو سیلاات را به عنوان تابعی از باردهی نانو ذرات در درصد وزنی fp%wf نشان می دهد . برای هر نانو سیال هدایت دمائی سیال پایه (80) به طور مستقل در همان دمای نانو سیالات اندازه گیری می شود دمای اندازه گیری برای هر ردیف داده ها تقریباً ثابت سات .
شکل تغییرات نسبی در هدایت دمائی نانو سیالات در دمای اتاق به عنوان تابعی از غلظت نانوذرات در fp%wf
همان داده ها در اشکال 15 و 16 با یک تفصیر در مشخه محور x تکرار می شود در شکل 15 محور x کسب حجمی هسته نانو ذرات Qcore و در شکل 16 محور x کسر جمعی ترکیبی هسته و پوسته نانو ذرات می باشد . برای فولرین در تولوئن Qp~Qcore = oslfp برای نانو ذرات Au-U2 2nm در تولوئن 0.358fp~Qp~10.64QAU و برای نانو ذرات Au- MUD در اتانول ، Qp~4.lQAU~0.146fp می باشد .
شکل 15 تغییرات نسبی در هدایت دمائی نانو سیالات به عنوان تابعی از کسر جمعی هسته نانو ذرات خط چین ها برای مقدار پیش بینی تئوری . میانگین متوسط برای نانو ذرات با هدایت دمائی خیلی بالا (بالائی) و نانو ذرات عایق دمائی (پایینی)می باشد .
شکل 16 تغییرات نسبی در هدایت دمائی نانو سیالات به عنوان تابعی از کسر حجمی پوسته
شون برای مقایسه خصوصیات محلولهای نمکی شامل نانو ذرات از آب و اتیلن گلیکول به عنوان مایع پایه استفاده نمود مقادیر TEM نمونه های آزمایش شده در شکل زیر نشان داده شده شکل a مخلوط نانوک را با آب دی یونیزه به عنوان مایع پایه شامل %202 از نانو ذرات اکسیدس با قطر 85nm نشان می دهد که حالی که شکل 6 نانولیال بر پریایه
شکل 17 تصویر TEM نانو سیاست : a: نانو سیالات با شامل اکسید مس در آب دی یونیزه b نانوسیالات شامل مس در اتیلن گلیکول
جدول 4 اندازه گیی خصوصیات دمائی دو نانو سیال را نشان می دهد مطابق جدول هدایت دمائی نانو ذرات اکسید مس در آب دیو نیز (NW) %908 بیشتر از آب ری یونیزه است به طور مشابه هدایت دهائی نانو ذرات مس در اتیلن گلیکول (N.E.G) %501 بیشتر از اتیلن گلیکول است همین طور نفوذ دمائی N.W%1406 بیشتر از آب دی یونیزه است در حالی که نفوذ دمائی NEG %1202 بیشتر از اتیلن گلیکول است .
جدول 4: مقایسه خصوصیات دمائی بین نانو سیالات و حلالهای پایه
اختلاف در شکل هندسی نانو ذرات اکسید مس باعث چرخش آنها در سیال می شود این امر منجر به اثر شبه همرفتی در بعضی نواحی می شود که باعث افزایش هدایت دمائی می شود نسبت افزایش نانو حرارتی دو نانو سیال چندین برابر بزرگتر از هدایت دمائی است . این آشکار می کند که انتقال حرارت یک نانو سیال سریعتر از یک حلال پایه است که ناشی از توزیع دمائی بیشتر است .
شکل 1918 نشانگر هدایت دمائی و نفوزی دمائی دو محلول نعکی می باشد . در مقایسه با سیال پایه نانو سیال واوی نانو ذرات اکسید مس افزایش %802-603 در هدایت دمائی و %1107-603 در نفوذ دمائی نشان می دهند . همین طور در نانو سیال حاوی نانو ذرات مسی نیز به ترتیب افزایش %405-2 و %108-103 ملاحظه می شود .
شکل 18 هدایت دمائی نمونه هایی از کسرهای حجمی مختلف اتیلن گلیکول
شکل 19 نفوذ دمائی نمونه هایی از کسرهای جمعی مختلف اتیلن گلیکول
همان طور که می بینیم که در همه کسرهای حجمی نسبت افزایش هدایت دمائی نانو ذرات بیشتر از محلول اتیلن گلیکول می باشد به طور مشابه برای نفوذ دمائی همان رفتار برای کسرهای حجمی %30-10 مشاهده می شود . از کسر حجمی %50 نفوذ دمائی نانو محلولهای شامل مس بیشتر از نانو نمک های شامل نانو ذرات اکسید مس است . این امر به هدایت دمائی بهتر مس مربوط می باشد .
اندازه گیری های آزمایشگاهی نشان می دهد که نسبت افزایش نفوذ دمائی در همه دماها بیشتر از هدایت دمائی است .
از ترکیب Q2,Q1 انتقال حرارت کلی در سلول پایه بدست می آید . مرز تحتانی موثر برای هدایت دمائی می شود :
توجه کنید که در محدوده ای که Q=0 (بدون نمره) معادله بالا نتیجه می گیرید 1=KL
باندهای تحتانی . ایزوترم های عمودی :
شکل 21 از کروی در سلول پایه ، مرز فوقانی ، ایزو ترم های عمودی
مرز تحتانی برای هدایت دمائی موثر سلول پایه می تواند با فرض ایزو ترم های دمائی عمودی در جهت جریان حرارتی سلول . با یک تقریب مشابه با مرزهای فوقانی . باند فوقانی برای هدایت دمائی موثر برای سلول واحد بدست می آید .
Ku=
که دره =Q ، 1=ku با کار برد همان فرض kp>>km مدل ماکسول کاهش می یابد به
keMaxwell l kp>>km=
توجه کنید که مرزهای تحتانی / فوقانی و مدل ماکسول به kp=kp/km وقتی kp حدود 60 و بیشتر است ، حساس نیستند . آنها از فرض ایزو تومال بودن نانو ذرات در آنالیز استفاده می کنند .
اشکال 15 تا 17 یک مقایسه بین مولات ماکسول و باندهای فوقانی / تحتانی هدایت نشان می دهد . این داده ها مربوط به نانو ذرات Al2o3 , cuo در مایع پایه اتیلن گلیکول و آب در یک رنجی از کسر جمعی ها می باشد .
شکل 22: نانو ذرات cuo در اتیلن گلیکول
شکل 23: نانو ذرات cuo آب
شکل 24: نانو ذرات اکسید آلومینا در اتیلن گلیکول
شکل 25: نانو ذرات cuo در اتیلین آب
همان طور که از معادلات فوق می بینیم سایز مطلق ذره یک اثر مستقیم روی هدایت دمائی مدلهای هدایتی ندارد . داده های موجود در اشکال یک پراکندگی زیاد از سطوح پیش بینی شده از مدل ماکسول دارد . اما همه داده ها بین باندهای فوقانی و تحتانی هدایتی واقع اند .
داده های مربوط به آزمایشگاهی مربوط به نانو ذرات متداول در زمینه نوع ذره ، اندازه ، کسر جمعی Q ، سیال پیله و افزایش هدایت دمائی اندازه گیی شده در جداول 4/5 لیست شده اند .
در ادامه اثر پارامترهای مختلف روی افزایش هدایت دمایی ذکر شده اند .
- اثر نوع ماده :
ونگ هدایت دمایی نانوذرات مختلف شامل Fe2O3 , Ceo2 , Cuo , Zno , Al2O3 را در حلالهایی نظیر روغن و اتیلن گلیکول اندازه گیری نمود . شکل 25 مقایسه بین داده ها و مدل ماکسول و مرزهای فوقانی و تحتانی را نشان می دهد .
شکل 25 اثر نوع نانوذره روی هدایت دمایی موثر
او انتظار داشت بیشترین افزایش هدایت دمایی را برای ذره ای که بیشترین هدایت دمائی وارد مثل cuo با کمترین اندازه ذره را وارد مثل Fe2o3 مشاهده کرد . اما شکل نشان می دهد که این پیش بینی درست نیست . بالاترین افزایش متعلق به نانوذرات Zno است که بزرگترین اندازه متوسط نانو ذرات را دارد .
- اثر شکل
مرشد هدایت دمایی موثر اشکال میله ای 10nm در 40nm (قطر در طول) و اشکال کروی 15nm نانو ذرات Ti02 در آب دی یونیزه را اندازه گیری نمود نتایج آزمایش او در شکل 20 نشان داده شده است . مطابق شکل ذرات استوانه ای افزایش بیشتری نسبت به پیش بینی های تئوریکال نشان می دهد . آزمایشات او همچنین یک نسبت غیر خطی بین هدایت دمایی و کسر جمعی در بارهای حجمی کوچکتر (0.005-0.02) و یک رابطه حجمی در نسبت های بازدهی بیشتر (0.02-0.05) را نشان می داد .
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 80 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود با لینک مستقیم
دانلود مقاله انتقال گرما به وسیله نانوسیالات 
