بررسي انتقال حرارت نانوسيال در جريان الكترواسموزي و فشاري متناوب در يك ميكروكانال با استفاده از روش شبكه پوآسون- بولتزمن

Study of Heat Transfer of Periodic Electroosmotic/Pressure Driven Nanofluid Flow in a Microchannel Using the Poisson-Boltzmann Method

در مطالعه حاضر، ميدان جريان الكترواسموزي و فشاري نانوسيال در پتانسيل سطح همگن در ميكروكانال با اعمال معادله پواسون- بولتزمن و فرض جريان دوبُعدي، آرام، تراكم‌ناپذير و پايا بررسي شده است. توزيع نانوذرات در سيال پايه به‌شكل همگن در نظر گرفته شده و در نتيجه جريان نانوسيال به‌شكل تك‌فاز است. در اين مدل‌سازي نانوسيال از مدل پاتل استفاده شده كه در آن وابستگي ضريب هدايت حرارتي به دما لحاظ شده است. به‌منظور تاييد صحت حل عددي، نتايج حاصل با حل تحليلي موجود براي هر بخش مقايسه شده و مطابقت خوبي به دست آمده است. سپس در ادامه، تاثير پارامترهايي از قبيل درصد مولار يون، كسر حجمي و قطر نانوذرات روي جريان سيال و انتقال حرارت بررسي شده است. نتايج نشان مي‌دهد كه با ثابت‌نگه‌داشتن ميدان الكتريكي و افزايش گراديان فشار، عدد ناسلت موضعي كاهش و با ثابت‌نگه‌داشتن گراديان فشار و افزايش ميدان الكتريكي، عدد ناسلت افزايش مي‌يابد. عدد ناسلت متوسط براي قطر نانوذرات 100، 110 و 120نانومتر به‌ترتيب 45، 35 و 25% افزايش پيدا مي‌كند. زماني كه 0/05=r باشد، با افزايش غلظت يون از 4-10 تا 2-10 عدد ناسلت متوسط به اندازه 10% افزايش مي‌يابد. همچنين مي‌توان با انتخاب زاويه فاز مناسب براي محرك‌هاي متناوب الكتريكي و فشاري، ميزان و جهت سرعت و شكل تقعر پروفيل سرعت را كنترل نمود.

In the present study, the electroosmotic and pressure driven flow of nanofluid in a microchannel with homogeneous surface potential is investigated by using the Poisson-Boltzmann equation and the flow field is assumed to be two-dimensional, laminar, incompressible, and steady. Distribution of nanoparticles in the base fluid is assumed to be homogeneous; therefore the nanofluid flow is modeled as a single phase. The thermal conductivity of the nanofluid is modeled by using the Patel model to account for temperature dependency. In order to validate the numerical solution, the results are compared with available analytical solutions and the comparison shows a good match with the results. Then, the effects of different parameters such as ion molar percentage, volume fraction, and nanoparticles’ diameter on the flow field and heat transfer are examined. The results show that by fixing the electric field and increasing the pressure gradient, the local Nusselt number will decrease, and by fixing the pressure gradient and enhancing the electric field, the Nusselt number increases. The average Nusselt number increases about 45, 35 and 25% while nanoparticles’ diameters are 100, 110 and 120nm, respectively. For Γ=0.05, the average Nusselt number increases 10% while ion concentration changes from 10-4 to 10-2. Furthermore, the direction and magnitude of velocity and concavity of the velocity profile can be controlled by choosing a suitable phase angle between electrical and pressure driven flow parameters.