دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

دانشکده مهندسی مکانیک

پایان نامه کارشناسی ارشد

گرایش تبدیل انرژی

عنوان:

تاثیر اتلاف ویسکوز بر تولید انتروپی برای یک سیال تراکم پذیر گازی در کانال میکرو -microchannel- با سطح مقطع مستطیل

استاد راهنما:

دکتر آقانجفی

تیر 90

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
فهرست
فصل اول. 5
نیاز به گذر گاه باریک.. 5
1-1 نیازمندی به گذرگاه های باریکتر برای عبور جریان. 6
1-2 دسته بندی کانال ها 8
1-3 فرضیات اولیه در انتقال حرارت و افت فشاردر میکرو کانال ها 9
فصل دوم. 14
جریان سیال در میکرو کانال. 14

2-1 پیشگفتار 15
2-2 قطر هیدرولیکی.. 16
2-3 طول توسعه یافتگی جریان. 17
2-4 حالت های انتقال حرارت.. 18
2-5 فرضیه پیوستگی.. 19
2-6 اصول ترمودینامیک.. 21
2-7 قوانین کلی.. 22
2-8 قوانین خاص… 23
2-9 ساختار جریان. 24
2-10 طول ورودی حرارتی.. 25
فصل سوم. 27
تشریح و حل پروژه 27
3-1پیش گفتار 28
3-2 گسسته سازی معادلات مومنتم. 30
3-3 گسسته سازی معادله پیوستگی.. 37
3-4 شرایط مرزی.. 39
3-4-1 اعمال شرط مرزی slip : 40
3-4-2 شرط های مرزی برای .. 42
3-4-3 شرط های مرزی برای . 43
3-4-4 شرط های مرزی برای .. 44
3-5 اعمال شرط های مرزی در معادلات مومنتم. 45
3-6 گسسته سازی معادله انرژی.. 46
3-6-1 نحوه اعمال شرط مرزی پرش دما بر روی دیواره ها 60
3-6-2 شرایط مرزی برای دما 61
3-7 الگوریتم حل. 63
3-7-1مراحل SIMPLER. 63
3-8 شکل کلی حل معادلات  به روش TDMA. 66
فصل چهارم. 68
نتایج و پیشنهادات.. 68
4-1 بررسی صحت حل عددی: 69
4-2 نتایج و توضیحات: 69
4-3 پیشنهادات.. 80
ضمائم. 81
اعمال شرط های مرزی در معادلات مومنتم .. 82
اعمال شرط های مرزی در معادلات مومنتم . 89
اعمال شرط های مرزی در معادلات مومنتم .. 98
اعمال شرط های مرزی در معادلات .. 105
اعمال شرایط مرزی بر ضرایب معادله انرژی.. 111
منابع. 120
 

فهرست اشکال
 
شکل 1- 1 گستره ای از قطر میکرو کانال هایی که دارای کاربردهای مختلف می باشند. 7
جدول 1- 1 ابعاد کانال برای انواع جریان گازی در فشار اتمسفر. 9
شکل 1- 3 اثر قطر هیدرولیکی بر انتقال حرارت در میکرو کانال ها [3] 10
شکل 2- 1 پارامتر طول ورودی جریان K برای جریان لایه ای در ورودی مجرا 18
شکل 2- 2 جریان در حال توسعه هیدرودینامیکی و حرارتی.. 26
جدول 4- 1 بررسی صحت جواب ها با مراجع [24و25] 69
شکل 4- 1 تغییرات عدد ناسلت برای عدد های نادسن مختلف در .. 71
شکل 4- 2 تغییرات عدد ناسلت برای عدد های نادسن مختلف در  و نسبت طول به عرض 2. 72
شکل 4- 3 تغییرات عدد ناسلت برای عدد های نادسن مختلف در  و نسبت طول به عرض 5. 73
شکل 4- 4 تغییرات عدد ناسلت در طول کانال در  برای دو صفحه موازی.. 74
شکل 4- 5 تغییرات  برای عدد های نادسن و برینکمن مختلف در  و نسبت طول به عرض 1. 75
شکل 4- 6 تغییرات  برای عدد های نادسن و برینکمن مختلف در  و نسبت طول به عرض 1. 76
شکل 4- 7 تغییرات  برای عدد های نادسن و برینکمن مختلف در  و نسبت طول به عرض 1. 77
شکل 4- 8 تغییرات  برای عدد های نادسن و برینکمن مختلف در  و نسبت طول به عرض 1. 78

فصل اول

نیاز به گذر گاه باریک

1-1 نیازمندی به گذرگاه های باریکتر برای عبور جریان

 
جریان سیال داخل کانال ها در بسیاری از سیستم های طبیعی و سیستم های ساخته شده توسط بشر دیده می شود. انتقال جرم و حرارت توسط دیواره کانال در سیستم های بیولوژیکی مانند مغز، ریه، کلیه، روده و غیره همچون بسیاری از سیستم های ساخته شده توسط بشر مانند مبدل های حرارتی، راکتورهای هسته ای، واحدهای تقطیر، واحدهای جداسازی هوا و نظیر آنها انجام می شود. به طور کلی فرایندهای انتقال توسط دیواره کانال ها انجام می شود، مادامی که که جریان در درون کانال در حال عبور است.
کانال دو وظیفه اساسی دارد که باید در طول عملکرد خود به انجام برساند:

1. سیال را به برخورد موثر با دیواره های کانال وادار نماید.
2. به منظور اینکه فرایند انتقال به خوبی انجام پذیرد کانال باید همواره سیال جدید را به سمت دیواره فرستاده و سیالی را که در نزدیک دیواره است و وظیفه فرایند انتقال خود را انجام داده از دیدار دور نماید تا سیال جدید در مجاورت دیواره جایگزین آن شود.

نرخ فرآیند انتقال به مساحت سطح تماس با سیال بستگی دارد که این خود برای کانال با سطح مقطع دایره ای به قطر کانال،  بستگی داشته همچنان که نرخ جریان به مساحت سطح مقطع کانال بستگی دارد، که سطح مقطع نیز به طور خطی با  متناسب است. بنابراین نسبت مساحت سطح داخلی کانال به حجم با قطر کانال نسبت عکس خواهد داشت، پر واضح است که با کاهش قطر نسبت مساحت سطح داخلی کانال به حجم افزایش خواهد داشت.
در بدن انسان دو فرایند بسیار موثر انتقال حرارت و جرم در ریه و کلیه اتفاق می افتد، جایی که قطر کانال ها یا به عبارتی دیگر مجراهای باریک چیزی در حدود چهار میکرومتر می باشد.
گستره ای از میکرو کانال ها با ابعاد مختلف با ذکر نوع سیستمی که میکرو کانال در آنها به کار رفته است، در شکل (1-1) آورده شده است[1].
 
شکل 1- 1 گستره ای از قطر میکرو کانال هایی که دارای کاربردهای مختلف می باشند
 
هرچه ابعاد کانال کوچکتر می شود بعضی از تئوری هایی که برای توصیف وضعیت سیال، انرژی و انتقال جرم استفاده می شد نیازمند بررسی بیشتر جهت حصول اطمینان از اعتبار آن ها می باشد. دو عامل اساسی جهت دور شدن از تئوری های معمولی جهت توصیف مقیاس میکرو وجود دارد، به عنوان مثال تفاوت ها در مدل کردن جریان سیال داخل کانال های با قطر کوچک می تواند به دلایل زیر بوجود آید:

1. تغییر در فرایندهای اساسی مانند انحراف از فرضیه محیط پیوسته برای جریان گاز، یا اثر گذاری مضاعف بعضی از نیروها مانند نیروهای الکتروسینتیکی و مانند آن.
2. عدم قطعیت در کاربرد عوامل اساسی که به روش های آزمایشگاهی در مسائل با مقیاس بالاتر به دست آمده است مانند ضرایب افت، ورودی و خروجی، جریان سیال داخل لوله ها.

3- عدم قطعیت در اندازه گیری های مقیاس میکرو مانند ابعاد هندسی و پارامترهای مسئله.
 

1-2 دسته بندی کانال ها

 
دسته بندی کانال ها براساس قطر هیدرولیکی آنها به عنوان یک راه حل ساده و در عین حال کارا جهت بررسی رنج های مختلف مورد نظر می باشد. کاهش ابعاد کانال در فرایندهای مختلف، اثرات مختلفی داشته و ارائه یک شرط خاص منطبق بر متغیرهای فرایند ممکن است در نگاه اول گزینه ای بسیار نامناسب به نظر برسد، اما چنانچه تعداد فرایندها و متغیرهای حاکم بر انتقال از ابعاد معمولی به پدیده های مقیاس میکرو را در نظر بگیریم همان روش ساده دسته بندی کانال ها براساس ابعادشان را یک روش مناسب می بینیم که در کارهای علمی انجام شده در این زمینه نیز کاملا پذیرفته شده است. جدول (1-1) رنج های مختلف کانال را تحت جریان ها با نوع های متفاوت نشان می دهد: