圓柱型庫耶特流動系統之奈米流體熱流數值模擬研究
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奈米流體是指在基礎液體中含有100nm以下分散粒子的流體[1],此在熱傳、潤滑與醫療 ... 奈米流體在圓形雙套管間隙中的流力與熱傳行為;最後,使用田口品質工程之靜態望 ...
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奈米流體是指在基礎液體中含有100nm以下分散粒子的流體[1],此在熱傳、潤滑與醫療上都具有極大的應用價值,但當加入奈米流體可能面臨增加壁面剪切應力而磨損管線的問題。
故本文嘗試建立一個暫態三維同心圓管庫耶特流動之計算流體力學架構,其中流體為乙二醇(EG)/二氧化鈦(TiO2)的奈米流體,分析系統變因對於剪切應力與熱通量之影響。
本研究使用的變因為內管轉速、奈米流體粒子體積分率、奈米粒子聚集程度與壁面溫度。
據此,利用L9(34)直交表配置實驗組合,並利用Chen等人[17,18]所建立之黏度與熱傳導係數經驗式與Pak與Cho兩人[39]所提出之密度與比熱經驗式計算奈米流體性質;其次,運用有限體積法離散與隱式壓力速度耦合運算法求解體積分率和守恆方程式,以模擬奈米流體在圓形雙套管間隙中的流力與熱傳行為;最後,使用田口品質工程之靜態望小與靜態望大訊號/雜訊比分別獲得剪切應力與熱通量之因子效果。
藉由徑向之速度分布與剪切應力的比較得知,數值模擬與理論值極為吻合,此可驗證本研究之計算流體力學架構的信賴度。
另外,利用田口品質工程之靜態望小及望大訊號/雜訊比的變因分析結果顯示,影響剪切應力的程度由大至小次序為內管轉速、粒子體積分率、粒子聚集程度、壁面溫度,其百分比分別為32%,27%,23%,及17%;而影響熱通量的程度由大至小次序為壁面溫度、粒子體積分率、粒子聚集程度、內管轉速,其百分比分別是52%,32%,9%,及7%。
Nanofluidisthebaseliquidcontainingdispersedparticleswhichsizeisbelow100nm,whichhavelargeapplicationvalueofheattransfer,lubricants,andmedicaltreatment.Butwealsoneedtofacetheproblemthattheshearstresswouldincreaseleadingtowearpipelineinthesametimewhenweaddednanoparticlesintothebasefluid.Thereforewebuiltanunsteadystateand3-DconcentricCouetteflowcontainingTiO2nano-particlesdispersingintheethyleneglycolfluid(EG)toanalyzeeffectsofparametersontheshearstressandtheheatfluxrespectively.Inthisstudy,wetookangularspeedoftheinnertube,volumefractionofparticle,secondaryaverageparticlesize,andwalltemperatureasthevariables.WeexploitedL9(34)orthogonalarraytodesignexperiments,inwhich,theviscosityandthermalconductivityofnano-fluidwereproposedbyChenetal[17,18],andthedensityandspecificheatcapacityofnano-fluidwerededucedbyPakandCho[39].Thevolumeoffluid(VOF)andfinitevolumemethod(FVM)associatedwithpressureimplicitwithsplittingofoperators(PISO)werethenappliedtosolvethevolumefractionequationandconservationequationsforsimulatingthemomentumandheattransferofnano-fluidsinagapbetweencirculardoublepipes.Finally,weusedstaticsmaller-the-betterratioandstaticlarger-the-betterratioofsignaltonoise(S/Nratio)inTaguchimethodtoobtainthefactoreffectonshearstressandheatfluxrespectively.Incomparison,theresultingvelocityandshearstressprofileswereconsistentwiththetheoreticalvalueintheradialdirection,whichmaybeusedtoimprovethereliabilityofthecomputationalfluiddynamics(CFD)inthiswork.Furthermore,asknownfromtheanalysisofS/NratioinTaguchimethod,itwasfoundthatinfluencedegreesofangularspeedoftheinnertube,theparticlevolumefraction,theparticleaggregation,andthewalltemperature,are32%,27%,23%,and17%ontheshearstress,aswellas7%,32%,9%,and52%onthethermalflux,respectively.
摘要……………………………………………………………………IAbstract…………………………………………………………II符號說明……………………………………………………………IV目錄……………………………………………………………………X圖目錄…………………………………………………………………XII表目錄…………………………………………………………………XV第一章緒論…………………………………………………11.1奈米流體介紹…………………………………………11.2CFD模擬簡介……………………………………………21.3研究動機與方法………………………………………41.4全論文架構………………………………………………6第二章文獻回顧…………………………………………72.1奈米流體……………………………………………………72.2奈米流體的數值模擬………………………………142.2.1奈米流體的CFD研究…………………………142.2.2流體力學………………………………………………242.2.3熱量傳送………………………………………………342.2.4CFD求解方法………………………………………382.2.5CFD數值計算方法………………………………452.2.6VOF模型………………………………………………472.2.7田口品質工程………………………………………482.3奈米流體的應用………………………………………52第三章研究方法…………………………………………563.1物理模型…………………………………………563.2數學模型……………………………………………………573.2.1守恆方程式…………………………………………573.2.2奈米流體………………………………………………593.2.3初始條件與邊界條件…………………………633.3數值方法……………………………………………………643.4變因分析……………………………………………………68第四章結果與討論……………………………………694.1CFD計算架構確認…………………………………694.1.1網格測試……………………………………………694.1.2確認實驗數據穩定……………………………724.1.3速度分布之理論值比對……………………754.1.4剪切應力之理論值比對……………………784.2變因探討……………………………………………………804.2.1先期探討………………………………………………804.2.2變因對於剪切應力之影響………………824.2.3變因對於熱通量之影響……………………86第五章結論與未來方向……………………………925.1結論……………………………………………………………925.2未來方向……………………………………………………92參考文獻………………………………………………………………93
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