دانلود پروژه:پیش بینی ضریب هدایت حرارتی و ویسکوزیته نانو سیالات با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی

فصل اول :مقدمه

عنوان                                                                                                                                    صفحه

1-1-تاریخچه شبیه سازی های رایانه ای                                                                                        2

1-2-نانوتکنولوژی                                                                                                                       3

1-2-1-کاربردها                                                                                                                         4

1-3- نانو ذرات                                                                                                                           4

1-3-1- کاربردهای نانو ذرات                                                                                                     5

1-4- نانو سیالات                                                                                                                         5

1-4-1- کاربردهای نانو سیال                                                                                                       7

1-5- اهداف پایان نامه                                                                                                                 9

فصل دوم: مبانی نظریه موضوع

2-1- اهمیت انتقال حرارت                                                                                                        11

2-1-1-اهمیت انتقال حرارت پیشرفته (انتقال حرارت نانو میکرومقیاس )                                      11

2-1-2- دلایل اصلی بهبود انتقال حرارت در نانوسیالات.                                                             14

2-2- خواص نانو سیال                                                                                                               15

2-2-1- افزایش هدایت حرارتی                                                                                                 15

2-2-1-1- عوامل موثر برضریب هدایت حرارتی نانوسیال                                                           15

2-3- مدل های ریاضی تخمین ضریب هدایت حرارتی نانوسیالات                                               24

2-4- افزایش ویسکوزیته                                                                                                           28

2-5- شبیه سازی های دینامیک مولکولی و فرضیات حل مسئله                                                   30

2-5-1- روش های بررسی دینامیک حرکت                                                                              30

2-6-مکانیک آماری                                                                                                                 33

2-7-دینامیک نیوتنی                                                                                                                 33

2-8- دینامیک هامیلتونی                                                                                             35   

2-9-انتخاب پیکربندی اولیه                                                                                                       38

2-9-1-فاکتور تراکم اتمی در سلول واحد Fcc                                                                         40

2-9-1-1-محاسبه فاكتور تراكم اتمي در سلول واحدFcc                                                        40

2-9-2-محاسبه دانسيته تئور ي مواد كريستالي                                                                          41

2-10-ابعاد، واحدها و مطابق کردن آنها                                                                                     41 2-11-مرزهای سیستم                                                                                                               44

2-11-1-شرایط مرزی متناوب                                                                                                   44

2-12-میدان های نیرو                                                                                                               46

2-12-1- پتانسیل برهمکنش و میدان های نیرو                                                                           47

2-12-2- پتانسیل های مدل کره- سخت                                                                                    49

2-12-3-پتانسیل لنارد- جونز                                                                                                     51

2-12-4- نیروهای برد بلند                                                                                                         55

2-12-5-برهمکنش های ناپیوندی الکترواستاتیکی                                                                     57

2-12-6- محاسبه بارهای اتمی جزیی                                                                                         57

2-12-4-3- روش جمع اوالد                                                                                                    59

2-13-برهمکنشهای میان مولکولهای آب و نانوذره                                                                    63

2-14-پتانسیل بین نانو ذرات                                                65

2-15-قطع پتانسیل و قرار دادن نزدیک ترین تصویر                                                                    65

2-16-انتگرال گیری از معادله های حرکت نیوتن                                                                        67

2-16-1-الگوریتم ورلت                                                                                                           68

2-17-انتخاب گام زمانی                                                                                                           72

2-18-شروع و اجرای شبیه سازی های دینامیک مولکولی                                                           73

2-19-دما                                                                                                                                 74                                              

2-20- محاسبه خواص ترمودینامیکی ساده                                                                                 76

2-21- خواص قابل محاسبه                                                                                                       77

2-21-1- انرژی پتانسیل                                                                                                             78

2-21-2- انرژی جنبشی                                                                                                            78

2-21-3- انرژی کل                                                                                                                 78

2-21-4- ظرفیت گرمایی                                                                                                         78

2-22-5-محاسبه ضریب هدایت حرارتی نانوسیال بروش شبیه سازی دینامیک مولکولی               79

2-23-مدل های آب                                                                                                                  80

2-23-1-مدل های ساده  آب                                                                                                     80

2-23-1-1-مدل های دو سایتی                                                                                                 81

2-23-1-2-مدل های سه سایتی                                                                                                 81

2-23-1-3-.مدل های  چهار سایتی                                                                                            82

 2-23-1-4- مدل پنج سایتی                                                                                                      83

2-23-1-5-مدل 6 سایتی                                                                                                          84

2-23-1-6-هزینه محاسباتی                                                                                                       84

فصل سوم:مروری بر کارهای گذشته

3-1- مروری بر کارهای گذشته                                                                                                 86

فصل چهارم:روش تحقیق

4-1- محاسبه ضریب هدایت حرارتی آب بوسیله روش شبیه سازی دینامیک مولکولی                 91

4-2- محاسبه ضریب هدایت حرارتی نانوسیال بوسیله روش شبیه سازی دینامیک مولکولی           91

4-3-فلوچارت برنامه                                                                                                                 92

فصل پنجم:نتایج و بحث

5-1-هدایت گرمایی نانوسیال                                                                                                     93

5-2-ضریب هدایت حرارتی آب                                                                                                93

5-3-ضریب هدایت حرارتی نانو سیال                                                                                        97

5-4-اثر افزایش تعداد مولکول ها                                                                                               98

5-5-اثر دما بر ضریب هدایت حرارتی نانو سیال                                                                          99

5-6-بررسی اثر غلظت ضریب بر هدایت حرارتی نانو سیالات                                                    101

5-7-اثر اندازه ذرات بر  ضریب هدایت حرارتی نانوسیال با نانوذره های 3/0 و 0/6 نانومتری      104

5-8-اثر نوع ذرات بر ضریب هدایت حرارتی نانوسیالات                                                           105

فصل ششم:نتیجه گیری و پیشنهادات

6-1- نتیجه گیری                                                                                                                    108

6-2- پیشنهادات                                                                                                                      110

فهرست اشکال

شکل(2-1):وابستگی هدایت حرارتی موثر نانوسیالات Al2O3 به درصد وزنی نانوذرات               16

شکل(2-2):وابستگی هدایت حرارتی موثر نانوسیالات TiO2(15nm) به درصد وزنی نانوذرات     16

شکل (2-3):نسبت ضریب هدایت حرارتی نانو سیال(CuO in Water) به سیال پایه بر حسب غلظت نانوذره                                                                                                                                       17

شکل(2-4):تاثیر نوع ذرات فلزی و اکسید های فلزی بر ضریب هدایت حرارتی نانوسیال               18

شکل(2-5):تاثیر نوع ذرات بر ضریب هدایت حرارتی نانو سیالات                                               18

شکل(2-6):تاثیر نوع و اندازه ی نانو ذرات بر نسبت ضریب هدایت حرارتی نانو سیال به سیال پایه  19

شکل(2-7):تاثیر اندازه ذرات بر نسبت ضریب هدایت حرارتی موثر نانوسیال به سیال پایه              19

شکل (2-8):داده های نشان دهنده تناقض موجود در تاثیر اندازه ذرات بر ضریب هدایتحرارتی موثر نانوسیال                                                                                                                                     20

شکل(2-9):اثر نوع سیال پایه بر ضریب هدایت حرارتی نانوسیال آلومینا و سیال پایه                      21

شکل(2-10): محاسبه نسبت ضریب هدایت حرارتی در pH های متفاوت برایAl2O3-DW         22

شکل(2-11):تاثیر دما بر بدست آوردن هدایت حرارتی نانو سیالات                                             23

شکل(2-12):وابستگی هدایت حرارتی نانوسیال اکسید مس/آب به زمان                                      24

شکل(2-13):مقایسه بین مدل های تئوری و نتایج تجربی برای محاسبه هدایت حرارتی نانو سیال Al2O3 و آب                                                                                                                             27

شکل (2-14) شبکه fcc مکعبی وجوه پر                                                                                     39

شکل (2-15): رابطه بين پارامتر شبكه و شعاع اتمي در ساختار مكعبي مراكز وجوه پر              40

 شکل(2-16):سهم يك اتم واقع در گوشه(a)، روي يال (b) روي وجه(c) ،و هرسه(d) در يك سلول واحد مكعبي                                                                                                                     40

شکل(2-17):  شرایط مرزی متناوب در دو بعد                                                                            45

شکل(2-18): سلول های مختلف مورد استفاده در شبیه سازی ها                                                  46

شکل(2-19):پتانسیل های  کره سخت                                                                                         49

شکل(2-20):پتانسیل تابعی لنارد- جونز                                                                                       51

شکل(2-21): پتانسیل کره نرم با قسمت دافعه  (الف) و  (ب)                                    53

شکل( 2-22 )پتانسیل لنارد- جونز تفکیک شده                                                                           54

شکل (2-23):ساختن کره ای از جعبه های شبیه سازی،برای سادگی سیستم بسیار کوچکی از دو جفت یون نشان داده شده است .                                                                                                  59

شکل(2-24):در روش جمع اوالد مجموعه اولیه بارها با توزیع گاوسی احاطه می شوند . یک توزیع بار دیگر برای خنثی کردن توزیع بار اول به آن اضافه می شود                                                      61

شکل(2-25): قرارداد نزدیک ترین تصویر دو بعدی                                                                    66

شکل (2-26): فرآیند انتگرال گیری برای سه الگوریتم ورلت، جهشی و ورلت سرعتی                  72

شکل(2-27): چگونگی کاهش نوسانات انرژی پتانسیل سیستم  در هنگام به تعادل رسیدن سیستم  74

شکل(2-28):نمونه ای از ثابت نگه داشتن دما در حین اجرای برنامه                                             75

شکل(2-29):مدل های مختلف مولکول آب                                                                               81

شکل(5-1):نمودار نوسانات انرژی پتانسیل نسبت به زمان و به تعادل رسانی سیستم در دمای 293 کلوین                                                                                                                                       93

شکل(5-2): نمودار نوسانات انرژی پتانسیل نسبت به زمان و به تعادل رسانی سیستم در دمای 303کلوین                                                                                                                                 94

شکل(5-3): ثابت نگه داشتن دما را در حین شبیه سازی نانوسیال در دمای 323 درجه کلوین نشان می دهد                                                                                                                                           94

شکل(5-4):نمودار نوسانات انرژی پتانسیل نسبت به زمان و به تعادل رسانی سیستم در دمای323 کلوین                                                                                                                                        95

شکل(5-5):ضریب هدایت حرارتی آب در دما های مختلف                                                        95

شکل(5-6):مقایسه نتایج شبیه سازی با داده های تجربی برای ضریب هدایت حرارتی آب در دماهای مختلف                                                                                                                                      96

شکل(5-7):نمودار نوسانات انرژی پتانسیل نسبت به زمان و به تعادل رسانی نانوسیال در دمای 293 کلوین                                                                                                                                        97

شکل(5-8):نحوه ثابت نگه داشتن دما در حین اجرای شبیه سازی در دمای 293 کلوین                  98

شکل(5-9):نوسانات انرژی پتانسیل و به تعادل رسیدن سیستم نانوسیال در دمای 293 و غلظت45/0 درصد بمنظور بررسی اثر افزایش تعداد مولکول های آب بر ضریب هدایت حرارتی نانوسیال                                                                                                                                     99

شکل(5-10):نوسانات انرژی پتانسیل و به تعادل رسیدن نانوسیال در دمای 303                       100

شکل(5-11):نوسانات انرژی پتانسیل و به تعادل رسیدن نانوسیال در دمای 323                       100

شکل(5-11): تاثیر افزایش دما بر ضریب هدایت حرارتی نانوسیال                                              101

شکل(5-12):نوسانات انرژی پتانسیل و به تعادل رسیدن سیستم نانوسیال در دمای 293 و غلظت 85/1 درصد                                                                                                                             101

شکل(5-13):نوسانات انرژی پتانسیل و به تعادل رسیدن سیستم نانوسیال در دمای 293 و غلظت4 درصد                                                                                                                                      102

شکل (5-14):ضریب هدایت حرارتی نانو سیال حاصل از شبیه سازی                                          102

شکل (5-15):مقایسه ضریب هدایت حرارتی نانو سیال حاصل از شبیه سازی و داده های تجربی  105

شکل(5-16):تاثیر اندازه نانوذره بر ضریب هدایت حرارتی نانوسیال                                           104

شکل(5-17): نوسانات انرژی پتانسیل و به تعادل رسیدن سیستم نانوسیال در دمای 293 و غلظت45/0 درصد بمنظور بررسی اثر اندازه ذرات بر ضریب هدایت حرارتی نانوسیال                 105

شکل(5-18): نوسانات انرژی پتانسیل و به تعادل رسیدن سیستم نانوسیال در دمای 293 و غلظت45/0 درصد بمنظور بررسی اثر اندازه ذرات بر ضریب هدایت حرارتی نانوسیال                 106

شکل(5-19):اثر نوع ذرات معلق در نانوسیالات بر ضریب هدایت حرارتی                                 106

شکل(5-20): مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی با داده های تجربی برای ویسکوزیته اب             107

شکل(5-21):محاسبه ویسکوزیته نانوسیال آب و در سه دمای 20،35 و 50 درجه سانتیگراد و مقایسه نتایج بدست آمده با داده های تجربی                                                                              108

شکل(5-22):بررسی اثر افزایش غلظت بر ویسکوزیته انو سیال آب و  و مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی با داده های تجربی                                                                                                  109

فهرست جداول

جدول (2-1):مدل های تخمین ضریب هدایت حرارتی سوسپانسیون های جامد-مایع                     25

جدول (2-2):مدل های تخمین ویسکوزیته نانوسیال                                                                     29

جدول(2-3):انواع معادلات حرکت که تحولات زمانی یک سیستم فیزیکی را توصیف می کنند. 31

جدول (2-4):پارامتر های مورد نیاز برای مدل های سه سایتی                                                       83

جدول(2-5):پارامتر های مورد نیاز برای مدل های چهار سایتی                                                     84

جدول(2-6):پارامتر های مورد نیاز برای مدل های پنج سایتی                                                       85

جدول (5-1):مقایسه ضریب هدایت حرارتی تجربی آب با نتایج حاصل از شبیه سازی مولکولی    97

جدول(5-2):خطای محاسباتی نسبت به داده های تجربی                                                              98

جدول(5-3):محاسبه ضریب هدایت حرارتی نسبی نانو سیال در دمای 20 درجه و محاسبه میزان خطای محاسباتی                                                                                                                         99

جدول(5-4):مقایسه نتایج حاصل از 864 مولکول آب با 1372 مولکول آب                               100

جدول(5-5):تاثیر دما بر ضریب هدایت حرارتی نانو سیال                                                          101

جدول(5-6):مقایسه نتایج شبیه سازی با داده های تجربی [46] برای ضریب هدایت حرارتی نانوسیال درغلظتهای مختلف در دمای  20                                                                                          104

جدول(5-7): نتایج حاصل از شیبه سازی برای ضریب هدایت حرارتی نسبی نانو سیال در غلظتهای مختلف                                                                                                                                    105

جدول(5-8): مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی با داده های تجربی برای ویسکوزیته آب            108

جدول(5-9):مقایسه نتایج بررسی اثر افزایش دما برویسکوزیته نانو سیال آب و با داده ای تجربی                                                                                                                                     109

جدول(5-10): مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی و داده های تجربی در بررسی اثر افزایش غلظت بر وسکوزیته نانوسیال                                                                                                                   110