Effect of Micro-Channel Wall Thickness and Diameter on Inlet Gas Temperature and Velocity under the Influence of Thermal Creeping

(1)

یشهوژپ یملع همانهام

یسدنهم کیناکم

سردم

mme.modares.ac.ir

تحت یدورو زبگ تعرس و بمد رب لبنبک ورکیم هراوید تمبخض و رطق ریثأت یدذع یسررب یترارح شسخ ریثأت

یزورهب زورهب یمساق دیجم ،

1

2

*

-1 یزتکد یَجطًاد کیًبکه یسذٌْه ،

يیذلازیصً ِجاَخ یتعٌص ُبگطًاد ، ىازْت ،یسَط

-2 ،دبتسا کیًبکه یسذٌْه ىازْت ،یسَط يیذلازیصً ِجاَخ یتعٌص ُبگطًاد ،

* قٍذٌص ،ىازْت یتسپ

-1999 19395 [email protected] ،

هلاقم تاعلاطا هدیکچ

لهبک یطٍّضپ ِلبقه :تفبیرد يوْب 05 1395

:شزیذپ ذٌفسا15 1395

:تیبس رد ِئارا يیدرٍزف91

9911 ِعسَت بب

نتسیس رد شیر دبعبا کچَک طبیقه يیا زیثأت ِب زطب ِقلاع ،یکیًبکه یبّ

لبًبک عًَ يیا دبعبا ىدزک زت

ِب ببس بّ

ىذهآ دَجٍ

ذًٌبه ییبّسبگ صیخطت یازب شلف ذیسکا یبّرَسٌسٍزکیه .تسا ُذض بّرَسٌسٍزکیه O3

، SO2

، CO2

،

،NO NH3

، CH4

ِب ُزیغ ٍ ربک

یه بّرَسٌسٍزکیه يیا .ذًٍر کچَک ُساذًا یاراد

ىاسرا ،زت زب ُراَید تهبخض ٍ زطق زیثأت یدذع یسرزب ِلبقه يیا سا فذّ .تسا زتوک ىاَت ٍ زت

ًَِگ ٍ یصزًا ،مَتٌهَه ،مزج یبقب ِلئسه زب نکبح یطخزیغ یلیسًازفید تلادبعه .تسا یترازح ششخ زیثأت تحت یدٍرٍ سبگ تعزس ٍ بهد تسبّ

ُذض لح یربجت ذک طسَت ِک .ذًا

ٍد ترَص ِب لبًبک ىآ سا ٍ ُذض ضزف یذعب

ییبج يیب يسدبً دذع ِک ٍ0.01

یسزه طیازض سا ،تسا0.1

یه ىبطً جیبتً .تسا ُذض ُدبفتسا لَسکبه تلادبعه ٍ ششغل صّبک سبگ تعزس ٍ صیاشفا یدٍرٍ سبگ یبهد ُراَید تهبخض صیاشفا بب ِک ذّد

یه سبگ یبهد لبًبک زطق صیاشفا بب يیٌچوّ ،ذببی یه صیاشفا سبگ تعزس ٍ صّبک یدٍرٍ

.ذببی

:ىبگصاٍ ذیلک لبًبکٍزکیه یترازح ششخ

ِیبض ییبهد یسبس

ششغل طیازض

Effect of Micro-Channel Wall Thickness and Diameter on Inlet Gas Temperature and Velocity under the Influence of Thermal Creeping

Behrooz Behroozi¹, Majid Ghassemi^1*

1- Faculty of Mechanical Engineering, Khaje Nasir Toosi University of Technology, Tehran, Iran.

* P.O.B. 19395-1999 Tehran, Iran, [email protected]

ARTICLE INFORMATION ABSTRACT

Original Research Paper Received 24 January 2017 Accepted 05 March 2017 Available Online 08 April 2017

With the development of micro-mechanical systems, researchers have become interested in concentrating on the small-scale impact on the flow and heat transfer in micro-channels. A micro- channel is required for a gas sensor to guide the gas flow. Reducing the size of channel has led scientists to concentrate on micro-sensor. Metal oxide gas micro- sensors are used to detect gases such as O3, SO2, CO2, NO, NH3, CH4, etc. Metal oxide gas micro-sensors are small in size, cheaper to fabricate and consume little power. The purpose of the current study is to numerically investigate the micro-channel wall thickness and diameter on gas inlet temperature under the influence of thermal creeping. The governing nonlinear differential equations, mass, momentum, energy, and species, are coupled and solved by a commercial code. The channel is assumed to be two dimensional. Since the Knudsen number is between 0.01 and 0.1, the slip boundary condition, Maxwell equation, is utilized. The result shows that as wall thickness increases the gas inlet temperature increases and temperature difference between gas inlet and outlet decreases. On the other hand, as channel diameter decreases the gas inlet temperature increases.

Keywords:

micro- channel thermal creep thermal simulation slip condition

همذقم -1

َبؾ ضز عّف سیؿوا یبٞضٛؿٙؾٚطىیٔ طث تبؼِبغٔ طیذا یبٞ

میركت یاطث

ُیجل ظا ییبٞظبٌ

،

، ، ،NO

،

طیبؾ ٚ ضاطف یِآ تبجیوطت ٚ

،طتٕو ٝٙیعٞ یاضاز بٞضٛؿٙؾ ٗیا .تؾا ٝؼؾٛت َبح ضز َبؼتقا ُثبل یبٞظبٌ

هچٛو ٜظاس٘ا [ تؾا طٍیز یبٞضٛؿٙؾ ٝث تجؿ٘ یطتٕو ٖاٛت فطهٔ ٚ طت

.]1

ٜسٙیلاآ ُیّحت ٚ ٝیعدت یؼلاٚ یبضف هی ضز بٞ

یٔ قبفتا تثبث تّغا ٝو ستفا

ٗیا .تؾا ضاٛقز ٖبیطخ تػطؾ ٚ ٓدح ،بٔز سٙ٘بٔ ییبٞطتٔاضبپ ٗتقاز ٍٝ٘

ٝث یاطث سیبث بٞطتٔاضبپ تؾز

فّترٔ یغیحٔ ظیاطق ضز ُیّحت ٝیعدت ٖزضٚآ

[ زٛق َطتٙو

ٜبٍتؾز .]2

ٓتؿیؾ ظا هچٛو یبٞ

ُیّحت ٝیعدت فضبؼتٔ یبٞ

هچٛو ضبیؿث ٖبیطخ یٔ ضبظت٘ا ٚ تؾا طت

ظبٌ یبٞطتٔاضبپ َطتٙو یاطث ٝو زٚض

[ سٙقبث طتسیفٔ

.]3

ٝث َبؼتقا ُثبل ظبٌ یبٞظبؾضبىقآ

ٜزطتؿٌ ضٛع

ٝٙیٔظ ضز یا ،تف٘ یبٞ

ٜبٌٚطی٘ ،تاعّف ٚ ٖزبؼٔ

ٜبٌٚطی٘ ،ییبیٕیق یبٞ

تیبؾ طٍیز ٚ ةٚش یبٞ

یبٞ

ٝ٘بذ ٗیٙچٕٞ ٚ یتؼٙن

ُتٞ ،بٞ

ُحٔ ٚ بٞ

تظبفح یاطث ٝو طٍیز یّذاز یبٞ

ٌس٘ظ ظا یٔ ٜزبفتؾا س٘ضاز یٕٟٔ فم٘ سیِٛت یٕٙیا ٚ طكث ی .س٘ٛق

[ ٖاضبىٕٞ ٚ ٖبٞاسِٙث َبؾ ضز ]4

یٙتجٔ یبٞضٛؿٙؾ یؾضطث ٝث2007

طث

WO3

ٖآ ِٝأؿٔ ضز .سٙتذازطپ ٖٚظٚا میركت یاطث نظب٘ ٝیلا بٞ

WO3

طتؿث طث

SiO2

-

ٚطىیٔ بث ٜاطٕٞ ٚSi

ِٝأؿٔ ٗیا ضز .تؾا ٜسق ٜسٙواطپ ٗیتلاپ زٚطتىِا

[ Downloaded from mme.modares.ac.ir on 2022-11-01 ]

(2)

ٖآ .سٙتذازطپ یثطدت ٚ یّیّحت تضٛن ٝث ضٛؿٙؾ یضبو یبٔز یؾضطث ٝث بٞ

ٜطٟث ٚ ٖظا ٝث ضٛؿٙؾ دؾبپ ٝو س٘زاز ٖبك٘ ِٝبمٔ ٗیا ضز ٖبكیا ٝث ةصخ یضٚ

یبٔز ظا ٗیٙچٕٞ ،زضاز یٍتؿث یضبو یبٔز -423

ٚ تلز ٗیّٛو 523

یٔ فیاعفا ضٛؿٙؾ تیؾبؿح یبٔز ٚ سثبی

تیؾبؿح ٗیطتكیث ٗیّٛو523

ٚ

طتٕو ی

ٗ دؾبپ

٘بٔظ ظا بٔز فیاعفا بث ٝو تؾا ضٛؿٙؾ یاطث ی -523

ٗیّٛو673

یٔ فٞبو ضٛؿٙؾ تیؾبؿح ٚ تلز .سثبی

[ ٖاضبىٕٞ ٚ عَِٙٛئِٔ

َبؾ ضز ]5

ضز یتضاطح ـعذ سٙیآطف یؾضطث ٝث2008

وطػ بث ُیغتؿٔ َب٘بوٚطىیٔ هی ٚ یزٚضٚ ضز ضبكف ٖبكیا .سٙتذازطپ زبیظ

بٔز ٖبیزاطٌ هی ٚ تثبث اض یخٚطذ طظ٘ ضز یخٚطذ ٚ یزٚضٚ ٗیث تثبث

ظا طتٕو ِٝأؿٔ ضز ٗؾزب٘ زسػ .سٙتفطٌ

ٜسق وطف ـعغِ یظطٔ ظیاطق ٚ0.25

.تؾا [ ٖاضبىٕٞ ٚ فىتٕحظ ٖبٕیا َبؾ ضز ]6

ظبٌ طّٛرٔ یؾضطث ٝث 2011

.سٙتذازطپ ییبٔز ـطپ ٚ تػطؾ ـعغِ ظیاطق بث َب٘بوٚطىیٔ ضز ٖٛئ٘ ٚ ْٛیّٞ

ٖآ .س٘زطو یؾضطث اض تػطؾ ٚ بٔز ُیفٚطپ َب٘بوٚطىیٔ یاطث بٞ

[ ٖاضبىٕٞ ٚ یٙیتضبٔ

َبؾ ضز ]1

ظبٌ میركت ٓتؿیؾٚطىیٔ هی2012

ٝجّٕت هی بث زطو یؾضطث اض یتضاطح ـعذ بث ظبٌ ٝچضبپىی ی٘ظ

ٖآ .س٘

یاطث بٞ

ٝیجق

ٚطىیٔ تضاطح یظبؾ

ْط٘ ظا زٛذ ٜبٍتؾز ضاعفا

َٛؿٔبو ٚ س٘زطو ٜزبفتؾا1

ٖآ .س٘زاز ْبد٘ا ٓتؿیؾٚطىیٔ زطىّٕػ یثبیظضا یاطث اض فّترٔ تؿت سٙچ بٞ

ٚطىیٔ زبؼثا .س٘زطو ٗییؼت یتضاطح ـعذ ظیاطق زبدیا یاطث اض زٛذ ٓتؿیؾ

تؿت ٗیتؿر٘

نبی٘ٛٔآ تحت ٓتؿیؾٚطىیٔ یبٞ

ٗیث تظّغ بث -10

100 PPM

یبٔز ضز تؿت .تؾا ٜسق ْبد٘ا ٗیّٛو473

یٔ ٖبك٘ ظبٌ میركت یبٞ

سٞز

تؿت ٗیا ْبد٘ا بث ٝو ُنبح طتٕو یىیطتىِا فطهٔ ٚ طتضاسیبپ ٖبیطخ بٞ

یٔ

ظا بٔز فیاعفا بث ٗیٙچٕٞ ،زٛق ٝث 423

فٞبو دؾبپ ٖبٔظ ٗیّٛو 523

یٔ

ٝث دؾبپ ٖسق ضاسیبپ .سثبی

ٛث لابث ٝث تسق دؾبپ ٚ تؾا ٝتؿثاٚ بٔز ٖز

یٔ فٞبو بٔز فیاعفا بث ضٛؿٙؾ .سثبی

[ ٖاضبىٕٞ ٚ ٛیِ ً٘بیِٛیظ َبؾ ضز ]7

ؽیتِ ـٚض ظا ٜزبفتؾا بث 2013

-

ٚ ضبكف ٖبیزاطٌ بث زبیظ َٛع بث َب٘بو ٚطىیٔ ٖٚضز ٖبیطخ یؾضطث ٝث ٗٔعتِٛث

ٖآ .سٙتذازطپ تٚبفتٔ ٗؾزب٘ زسػ ُیفٚطپ ُٔبق ٝو زٛذ یزسػ حیبت٘ بٞ

طؾ

ٜزاز بث اض یٔطخ ضبق ٚ ضبكف غیظٛت ،تػ ـٚض یبٞ

.س٘زطو ٝؿیبمٔ طٍیز یبٞ

ةبتق بضضسٕحٔ

[ ٖاضبىٕٞ ٚ یطٟقٛث َبؾ ضز ]8

ططق طثا یؾضطث ٝث2015

یتضاطح ٜبچ ٚ یظاٛٔ ٝحفن ضز تضاطح َبمت٘ا طث ییبٔز ـطپ یظطٔ

ٖآ .سٙتذازطپ َب٘بوٚطىیٔ

ْط٘ ظا ٜزبفتؾا بث بٞ

ضاعفا ُح ٝث ظبث غجٙٔ2

تلازبؼٔ

ُپٛو طظ٘ ضز تثبث ضبق ٚ تثبث ٜضاٛیز یبٔز یظطٔ ططق ٚز طٞ .سٙتذازطپ ٜسق

یٔ ٖبك٘ حیبت٘ .تؾا ٜسق ٝتفطٌ

ُثبل طیثأت ٜضاٛیز ییبٔز ـطپ ٝو سٞز

.زضاز یتضاطح ٜبچ ٚ تضاطح َبمت٘ا ُیفٚطپ طث یٟخٛت [ ٖاضبىٕٞ ٚ َٗٞزٛیضٚز َبؾ ضز ]9

ٝؾ یثطدت ٚ یزسػ یؾضطث ٝث2015

ث یسؼث هت غیبٔ ط هٙذ یاطث اطٌاٚ ٚ اطٍٕٞ َب٘بوٚطىیٔ یاطث ظبف

ٜسٙٙو

ٖآ فسٞ .سٙتذازطپ هی٘ٚطتىِا

ٝث ٝؼِبغٔ ٗیا ظا بٞ

تؾز تّؾب٘ زسػ ٖزضٚآ

ٖآ .تؾا

ٝث یاطث اض غیبٔ ٜزٛت ٚ حغؾ یبٔز بٞ

تؾز َبمت٘ا تیطض ٖزضٚآ

ٜظاس٘ا تضاطح یؾضطث .س٘زطو یطیٌ

ٖآ یبٞ

یٔ ٖبك٘ بٞ

ظیاطق ضز ٝو سٞز

اطٍٕٞ َب٘بو ضز تضاطح َبمت٘ا ٖبؿىی پٕپ ضبو .تؾاطٌاٚ َب٘بو ظا طتكیث35%

.تؾا ٜزبؾ َب٘بو ظا طتٕو اطٌاٚ ٚ اطٍٕٞ َب٘بو یاطث یتٕحض [ ٖاضبىٕٞ ٚ ضٛپ ضز ٌٖٛضا َبیؾ ضبتفض یؾضطث ٝث ]10

تئٛو ٖبیطخ

َب٘بوٛ٘ب٘ ٖٚضز ضاسیبپ

ٝیجق ظا ٜزبفتؾا بث طثظ ٚ فبن یبٞ

هیٔبٙیز یظبؾ

ْط٘ ٚ یِٛىِٛٔ

ٖآ حیبت٘ .سٙتذازطپ ؽپِٕ ضاعفا یٔ ٖبك٘ بٞ

بث ٝو سٞز فیاعفا

1 COMSOL

2 Open foam

یٔ فیاعفا َبیؾ تػطؾ ـعغِ ٜضاٛیز تػطؾ ثبی

ٝث .س تػطؾ تثبث طیزبمٔ یاظا

َب٘بو عبفتضا فیاعفا ،ٜضاٛیز تجؾ

فٞبو یٔ َبیؾ تػطؾ ـعغِ

یاطث .زٛق

َبیؾ تػطؾ ـعغِ فٞبو ثػبث ،ضاٛیز یِبٍچ فٞبو ضاسیبپ تئٛو ٖبیطخ یٔ

یطثظ َبٕػا .زٛق ٗییبپ ضاٛیز ٝث یثّثٔ ٚ یّیغتؿٔ یبٞ

تجؾ فٞبو

یٔ َبیؾ تػطؾ ـعغِ

عبفتضا فیاعفا بث َبیؾ تػطؾ ـعغِ ٗیٙچٕٞ ،زٛق

یطثظ یٔ فٞبو طتكیث سثبی

.

ٖاضبىٕٞ ٚ یچٚظبٔ

[ ]11

یزسػ یؾضطث ٝث هیٔبٙیزٚضسیٞ

ٚ

َبمت٘ا

تضاطح

ٖبیطخ یظبٌ

ٖٚضز ی ه

َب٘بوٚطىیٔ

سٙتذازطپ . تػطؾ ٖبكیا ضبو ضز

ٚ

یبٔز

ٖبیطخ یزٚضٚ

ٝث ب٘بو َ تذاٛٙىی ططق ٚ یظطٔ

ـعغِ

تػطؾ

ٚ ـطپ

یٚض بٔز

ٜضاٛیز

َب٘بو تؾا ٜسق ٝتفطٌ طظ٘ ضز حیبت٘.

یٔ ٖبك٘

سٞز

ٝو طیزبمٔ

زسػ تّؾب٘

ضز

بٞ‌ بث طیزبمٔ

ٖآ ز ض

َب٘بو یبٞ‌ بث زبؼثا

َٕٛؼٔ

تٚبفتٔ

فیاعفا ٚ تؾا تلض

َبمت٘ا تضاطح اض ضز

ٚز تٟخ فِبرٔ

تحت طیثأت

اطل ض یٔ‌ سٞز .

هلئسم نبیب-2 ٜضاٛیز تٔبرض ٚ طغل طیثأت یسؼثٚز یزسػ ُح یؾضطث زضٛٔ ِٝأؿٔ

ـعذ طیثأت تحت یزٚضٚ ظبٌ تػطؾ ٚ بٔز طث َب٘بوٚطىیٔ

تضٛن ٝث یتضاطح

.تؾبیبپ -2 -1 هلئسم هسدنه

حطع

ٜضاٚ

ُىق ضز فاطعا ظیحٔ بث ٜاطٕٞ َب٘بوٚطىیٔ

.تؾا ٜسق ٜزاز ٖبك٘1

زبؼثا ٝث غثطٔ هی فاطعا ظیحٔ ُىق ٗیا ضز ٝتفطٌ طظ٘ ضز ٖٚطىیٔ3000

َب٘بو طغل ِٝأؿٔ ٗیا ضز .تؾا ٜسق ،5

،10 ،20 تٔبرض ٚ ٖٚطىیٔ 50

َب٘بوٚطىیٔ ٜضاٛیز ،10

،20 ،40 یٔ ةبرت٘ا100 یاطث عٕٛدٔ ضز .زٛق

16

ؽٙخ ِٝأؿٔ ٗیا ضز .تؾا ٜسق ٝؿیبمٔ تضاطح َبمت٘ا ٚ تػطؾ ُیفٚطپ تِبح .تؾا ٜسق ٝتفطٌ طظ٘ ضز ؽوطیپ یٙییبپ ٜضاٛیز ٚ ٖٛىیّیؾ ییلابث ٜضاٛیز -2 -2 یزرم طیارش و مکبح تلادبعم ،هلئسم تبیضرف ضز تضاطح َبمت٘ا ٚ َبیؾ ٖبیطخ ٝث طٛثطٔ تلازبؼٔ ُح یاطث

یٔ ٝتفطٌ طظ٘ ضز طیظ تبیضطف س٘ٛق

.

Fig. 1 micro-channel schematic with surrounding

لکش فاطعا ظیحٔ بث َب٘بوٚطىیٔ هیتبٕق1

(3)

.تؾبیبپ ٚ یسؼثٚز تضاطح َبمت٘ا ٚ َبیؾ ٖبیطخ 

ٚ ْاضآ َبیؾ ٖبیطخ 

ٓواطت .تؾا طیصپ

.تؾبٔز ٝث ٝتؿثاٚ َبیؾ یىیعیفٛٔطت لاٛذ 

فطن ٜضاٛیز یٚض یطثظ ظا 

.تؾا ٜسق طظ٘

.زضاس٘ زٛخٚ ٖبیطخ شٛف٘ ٜضاٛیز یٚض 

ؼبؾاطث طث ٓوبح تلازبؼٔ تبیضطف ٗیا

ٖٚضز ظبٌ ٖبیطخ یا

ظا سٙتضبجػ [ :]5

( ٝغثاض تضٛن ٝث ْطخ یبمث ِٝزبؼٔ

.تؾا )1

( )1

یبمث ِٝزبؼٔ

( ظثاٚض تضٛن ٝث ْٛتٙٔٛٔ

.تؾا )3,2

( )2

( )3

ِٝزبؼٔ

( ٝغثاض تضٛن ٝث یغط٘ایبمث .تؾا )4

( )4 ( )

( )

سٙچ تِبح تلازبؼٔ ُح یاطث

ٌٝ٘ٛ یبمث یاطث تلازبؼٔ ظا یئعخ تضٛن ٝث بٞ

( ٝغثاض

ٜسق ٜزبفتؾا )5

تؾا [ .]12

( )5

𝛻 ( 𝛻)

ٖآ ضز

ji

،یجؿ٘ یٔطخ ضبق ضازطث

iω

ٚ یٔطخ طؿو

Ri

ٜبچ بی ٕٝكچ تضبجػ

ءعخ فطهٔ بی سیِٛت ٝث طٛثطٔ

-i .تؾا ْا

ٝث یاطث تؾز ظا َب٘بوٚطىیٔ ٜضاٛیز ضز سٔبخ ٓؿخ ضز بٔز غیظٛت ٖزضٚآ

( ٝغثاض یٔ ٜزبفتؾا )6

.زٛق

( )6 𝛻

ٜسق ٜزبفتؾا َٚا ٝجتطٔ َٛؿوبٔ تلازبؼٔ ظا تػطؾ یظطٔ ططق یاطث ٝث ٝو

( ٝغثاض تضٛن [تؾا )7

.]13

( )7

|

تلازبؼٔ ظا عی٘ بٔز یظطٔ ططق یاطث

َٛؿوبٔ

ٝث ٝو ٜسق ٜزبفتؾا َٚا ٝجتطٔ

( ٝغثاض تضٛن [ تؾا )8

]13 .

( )8

|

طث ٚ ـعغِ ْسػ یظطٔ ططق َب٘بوٚطىیٔ یخضبذ ٜضاٛیز طث فاطعا ظیحٔ ظطٔ

ظبث یظطٔ ططق .تؾا ٜسق ٝتفطٌ طظ٘ ضز1

ٚ زٚضٚ ضز ضبكف جٚطذ

ٖبیطخ یزٚضٚ ضز .تؾا ظیحٔ ضبكف ،َب٘بوٚطىیٔ

1 Open boundary

ظبٌ

CO2

تظّغ بث یخٚطذ یبٔز .زضاز زٛخٚ یِٛٔ ْطخ 0.05

ٗیّٛو 623

.تؾا -2 -3 لح شور

ٖبٔظبؾ یتبجؾبحٔ ٝىجق ٚ زٚسحٔ ٖبِٕا ـٚض ظا ٜزبفتؾا بث ِٝأؿٔ ُح بی

ٝتف

ْط٘ ضز َٛؿٔبو یىیعیف سٙچ ضاعفا ٓوبح تلازبؼٔ .تؾا ٜسق ْبد٘ا 5.2

ٌٝ٘ٛ ،یغذ توطح ٜظاس٘ا ،ْطخ یبمث تلازبؼٔ ُٔبق یغذطیغ ییبیٕیق یبٞ

ُپٛو لأبو یغط٘ا ٚ یٔ ضاطل ٜزبفتؾا زضٛٔ طٍیسىی بث ٜسق

عٛ٘ .س٘طیٌ

ٝىجق یٔ ةبرت٘ا یثّثٔ تضٛن ٝث یسٙث ٝو یضٛع ٝث زٛق

غیظٛت ٝىجق

ٝث یتبجؾبحٔ

ٌٝ٘ٛ

ٓدح ٗیطتكیث ٝو ٜضاٛیز هیزع٘ ٚ َب٘بو ٖٚضز ٝو تؾا ییا

ٖبِٕا زاسؼت زضاز زٛخٚ ٖآ ضز تبجؾبحٔ

زٛخٚ یحاٛ٘ ٗیا ضز یطتكیث یبٞ

ُىق .سقبث ٝتقاز ظیحٔ ٚ َب٘بوٚطىیٔ ضز یتبجؾبحٔ ٝىجق سیِٛت ٜٛح٘ 2

یٔ ٖبك٘ اض فاطعا طثاطث یتبجؾبحٔ ٝىجق ُو زاسؼت .سٞز

341000

ٖاعیٔ .تؾا

طثاطث ُح ُحاطٔ یٔبٕت یاطث یجؿ٘ یبغذ

10^-6

یٔ ٝتفطٌ طظ٘ ضز .زٛق

هجیتن-3 یریگ

ٝیجق حیبت٘

ٚ تػطؾ طث َب٘بوٚطىیٔ تٔبرض ٚ طغل تاطثا یؾضطث یاطث یظبؾ ِٝأؿٔ ٝىجق ظا َلامتؾا ٚ یدٙؾضبجتػا استثا ضز .تؾا ٜسق ٝئاضا تضاطح َبمت٘ا

٘ ؽپؾ ٚ ٝتكٌ یؾضطث ٜسق ُح ٜسق ٖبیث تضاطح َبمت٘ا ٚ تػطؾ یبٞضازٕٛ

.تؾا -3 -1 یجنسرببتعا [ فىتٕحظ ِٝبمٔ ظا ُح ـٚض تحن ٚ تلز ٖبیث یاطث .تؾا ٜسق ٜزبفتؾا ]6

ٝیجق ِٝبمٔ ٗیا ضز هی ضز ٖٛئ٘ ٚ ْٛیّٞ یبٞظبٌ یئعخ ٚز ٖبیطخ یظبؾ

.تؾا ٜسق یؾضطث ییبٔز ـطپ ٚ یقعغِ تػطؾ یظطٔ ظیاطق بث َب٘بوٚطىیٔ

،ؽوٛتؾا طیٚب٘ تلازبؼٔ ظؾٛت یئعخ ٚز ٓتؿیؾ یاطث تلابیؾ هیٔبٙیز

ٔ هی ِٝأؿٔ ٗیا ضز .تؾا ٜسق ٖبیث ْطخ َبمت٘ا ٚ یغط٘ا َٛع ٝث َب٘بوٚطىی

4

عبفتضا ٚ طتٔٚطىیٔ

ٗیا یظطٔ ظیاطق .تؾا ٜسق ٝتفطٌ طظ٘ ضز طتٔٚطىیٔ 1

:ظا سٙتضبجػ ِٝأؿٔ

ضبكف :یزٚضٚ ظیاطق بٔز ٚ َبىؾبپ ّٛیو300

ٗیّٛو300

ضبكف :یخٚطذ ظیاطق

َبىؾبپ ّٛیو100

َب٘بوٚطىیٔ ٜضاٛیز طث بٔز ٗیٙچٕٞ

ظا طتٕو ٗؾزب٘ زسػ ٚ ٗیّٛو350

.تؾا0.1

تحن غغمٔ ضز تػطؾ ٚ بٔز ُیفٚطپ یدٙؾ

=0.1

ُىق ضزX/L

ٚ3

ٜزضٚآ4

.تؾا ٜسق

Fig. 2 Mesh distribution a- whole computational domain b- near the wall

لکش

ٜضاٛیز هیزع٘ ٚ یتبجؾبحٔ ٝیحب٘ ُو ضز یتبجؾبحٔ ٝىجق غیظٛت2

(4)

Fig. 3 Simulated Temperature profiles at X/L=0.1

لکش غغمٔ ضز بٔز ُیفٚطپ3

=0.1 X/L

Fig. 4 Simulated velocity profiles at X/L=0.1

لکش غغمٔ ضز تػطؾ ُیفٚطپ4

=0.1 X/L

-3 -2 هکبش زا جیبتن للاقتسا

َّٛؾ ُلاسح بث یتبجؾبحٔ یبٞ

ٚ 0.85

تیتطت ٝث طتٔٚطىیٔ 0.2 59000

-

485000

بٔز حیبت٘ .سق زبدیا یتبجؾبحٔ ٝىجق ظا حیبت٘ َلامتؾا یؾضطث یاطث ُىق ضز َب٘بوٚطىیٔ ظؾٚ ضز یمفا ظذ طث یٔ ٝظحلأ5

ُىق ؼبؾاطث .زٛق

دؾبپ یٔبٕت5

ٌٝ٘ٛ ٝث سٙتؿٞ كجغٙٔ طٍیسىی طث ًبجیطمت بٞ

ٗیث عیبٕت ٝو یا

ٖآ كیلز یؾضطث تٟخ .تؿی٘ مركٔ بٞ

َّٛؾ زاسؼت ٚ ٜظاس٘ا طثا طت یبٞ

ُىق ظا یكرث یتبجؾبحٔ

يضعث5

ُىق ضز ٚ ییبٕ٘

ؽپ .تؾا ٜسق ٓیؾطت6

يضعث ضازٕٛ٘ ٝظحلأ ظا یٔ ٜسق ییبٕ٘

یٙحٙٔ ٗیث ّٝنبف ٝو تفبیضز ٖاٛت یبٞ

َّٛؾ زاسؼت بث

341000

-

485000

یٙحٙٔ طیبؾ ٗیث ّٝنبف ظا طتٕو ضز .تؾبٞ

َّٛؾ ظا ٜزبفتؾا ٝیبپ طث یزسػ ُح یبٙجٔ فٞٚػپ ٗیا یبٞ

بث یتبجؾبحٔ

زاسؼت

341000

.تؾا ٜسق ٝتقاصٌ

-3 -3 فیرعت هلأسم یارب بمد و تعرس لیفورپ یسررب هدش

طغل بث َب٘بوٚطىیٔ یاطث تضاطح َبمت٘ا ٚ تػطؾ یؾضطث ٝث استثا فرث ٗیا ضز ٜضاسخ تٔبرض ٚ طتٔٚطىیٔ10

یٔ ٝتذازطپ طتٔٚطىیٔ40

ُىق .زٛق یبٞ

ٚ7

طغل یاطث َب٘بوٚطىیٔ َٛع ضز اض ٖبیطخ تػطؾ ٚ بٔز ُیفٚطپ8

طتٔٚطىیٔ10

تٔبرض ٚ یٔ ٖبك٘ طتٔٚطىیٔ40

َب٘بوٚطىیٔ یزٚضٚ ضز بٔز .سٙٞز ٝث

ٖاعیٔ

Fig. 5 Mesh study results for different cells number

لکش

َّٛؾ یاطث ٝىجق یؾضطث حیبت٘5 فّترٔ زاسؼت بث یبٞ

Fig. 6 Zoom of mesh study results for different cells number

لکش يضعث6

َّٛؾ یاطث ٝىجق یؾضطث ییبٕ٘

فّترٔ زاسؼت بث یبٞ

َب٘بوٚطىیٔ یخٚطذ ضز ٚ ٗیّٛو1.5 جٚطذ ٚ زٚضٚ طیثأت تحت ٗیّٛو2.5

یٔ ضاطل ٖبیطخ یٔ فیاعفا َب٘بوٚطىیٔ َٛع ضز ٖبیطخ تػطؾ .زطیٌ

سثبی

ٝث .زضاز زٛخٚ تػطؾ ٗیطتكیث َب٘بو یخٚطذ ضز ٝو یضٛع

Fig. 7 Temperature distribution along the microchannel for D=10 µm and A=40 µm

لکش ب٘بوٚطىیٔ َٛع ضز بٔز غیظٛت 7 طغل یاطث َ

تٔبرض ٚ طتٔٚطىیٔ 10 40

طتٔٚطىیٔ

(5)

Fig. 8 Velocity distribution along the micro-channel for D=10 µm and A=40 µm

لکش طغل یاطث َب٘بوٚطىیٔ َٛع ضز تػطؾ ُیفٚطپ8 تٔبرض ٚ10

طتٔٚطىیٔ40

ُىق ضٛت٘بو 9

یٔ ٖبك٘ فاطعا ظیحٔ ٚ َب٘بوٚطىیٔ ضز بٔز یبٔز .سٞز

َب٘بوٚطىیٔ یخٚطذ ضز ٝٙیكیث ٚ فاطعا ظیحٔ ضز ٝٙیٕو یبٔز ٚ ٗیّٛو623

َب٘بوٚطىیٔ یزٚضٚ تٕؾ ضز ّٝنبف ضز .تؾا ٗیّٛو 293

یّیٔ 3

ضز یطتٔ

ٝث بٔز َب٘بوٚطىیٔ یخٚطذ تٕؾ یٔ ٗیّٛو450

.سؾض

ُىق كثبغٔ

ضز َب٘بوٚطىیٔ ظؾٚ ضز ٜضاٛیز یٚض یقعغِ تػطؾ 10

ؽوطیپ

0.27 mm/s

ٖٛىیّیؾ ضز ٚ

0.23 mm/s

ُىق كثبغٔ ٚ تؾا بٔز11

ؽوطیپ ٜضاٛیز یٚض ٖٛىیّیؾ ٜضاٛیز یٚض ٚ ٗیّٛو 618

ٚ ٗیّٛو 620

ٜسق ٜزاز ٖبك٘ ؽوطیپ ٚ ٖٛىیّیؾ ٜضاٛیز طث ییبٔز ـطپ ٖاعیٔ ٗیٙچٕٞ

.تؾا ضز .تؾا ٜسق ٝتذازطپ َب٘بوٚطىیٔ تٔبرض ٚ طغل ٝؿیبمٔ ٝث تیبٟ٘ ضز

ُىق بث .تؾا ٜسق ٜزاز ٖبك٘ َب٘بوٚطىیٔ یزٚضٚ ضز بٔز فّترٔ طیزبمٔ 12

ٜزٚسحٔ ضز( بٔز فیاعفا -573

فٞبو ضٛؿٙؾٚطىیٔ دؾبپ ٖبٔظ )ٗیّٛو673

یٔ

سثبی [ ].4

ٜزاز كثبغٔ

ٝث یبٞ

تؾز یٔ ُنبح طیظ حیبت٘ ٜسٔآ .زٛق

ز 

یٔ فٞبو َب٘بوٚطىیٔ طغل فیاعفا بث یزٚضٚ یبٔ

.سثبی

یٔ فیاعفا َب٘بوٚطىیٔ تٔبرض فیاعفا بث یزٚضٚ یبٔز 

.سثبی

فیاعفا بث َب٘بوٚطىیٔ طغل فیاعفا یاظا ٝث بٔز فٞبو تیق 

یٔ فٞبو َب٘بوٚطىیٔ تٔبرض .سثبی

Fig. 9 Temperature distribution (K) for micro-channel and surrounding لکش غیظٛت9 فاطعا ظیحٔ ٚ َب٘بوٚطىیٔ یاطث بٔز Fig. 10 Velocity distribution at micro-channel height and in the middle

of the micro-channel

لکش

َب٘بوٚطىیٔ ظؾٚ ضز ٚ َب٘بوٚطىیٔ عبفتضا ضز تػطؾ غیظٛت10

Fig. 11 Temperature distribution at micro-channel height and in the middle of the micro-channel

لکش َب٘بوٚطىیٔ ظؾٚ ضز ٚ َب٘بوٚطىیٔ عبفتضا ضز بٔز ُیفٚطپ11

Fig. 12 Temperature profiles for different diameter and thickness لکش تٚبفتٔ تٔبرض ٚ طغل یاطث بٔز ُیفٚطپ12

(6)

Fig. 13 Velocity profiles for different diameter and thickness لکش تٚبفتٔ تٔبرض ٚ طغل یاطث تػطؾ ُیفٚطپ13

َب٘بوٚطىیٔ تٔبرض فیاعفا یاظا ٝث بٔز فٞبو تیق 

بث

یٔ فیاعفا َب٘بوٚطىیٔ طغل فیاعفا .سثبی

ُىق ضز ٜزاز ٖبك٘ َب٘بوٚطىیٔ ظؾٚ ضز ٝٙیكیث تػطؾ فّترٔ طیزبمٔ 13

ٜزاز كثبغٔ .تؾا ٜسق

ٝث یبٞ

تؾز یٔ ُنبح طیظ حیبت٘ ٜسٔآ .زٛق

یٔ فیاعفا َب٘بوٚطىیٔ طغل فیاعفا بث تػطؾ 

.سثبی

یٔ فٞبو َب٘بوٚطىیٔ تٔبرض فیاعفا بث تػطؾ 

.سثبی

ق 

بث َب٘بوٚطىیٔ طغل فیاعفا یاظا ٝث تػطؾ فیاعفا تی یٔ فٞبو َب٘بوٚطىیٔ تٔبرض فیاعفا .سثبی

بث َب٘بوٚطىیٔ تٔبرض فیاعفا یاظا ٝث تػطؾ فیاعفا تیق 

یٔ فیاعفا َب٘بوٚطىیٔ طغل فیاعفا .سثبی

عمج -4 ذنب ی

ت٘ ؼبؾاطث حیب

ٝث تؾز ٜسٔآ یٔ

ٖاٛت ت٘

ٝدی ّٝنبف ضز ٝو تفطٌ

ٔ3

یّی یطتٔ

خٚطذ تٕؾ ضز ی

ٝث بٔز َب٘بوٚطىیٔ

ّٛو450

ٗی

ٔ ی سؾض

،

ٗیاطثبٙث سیبث ُئبؿٔ

ٝث طٛثطٔ

یٕٙیا اعفا بث .تفطٌ طظ٘ ضز اض فی

فٞبو ٚ َب٘بوٚطىیٔ طغل

تٔبرض

یبٔز یزٚضٚ

دؾبپ ٚ فٞبو ی٘بٔظ

ضٛؿٙؾٚطىیٔ

فیاعفا یٔ

سثبی .

میلاع تسرهف-5

َب٘بوٚطىیٔ تٔبرض A

( )µm

( ٓدح سحاٚ طث ُو یغط٘ا Jm^-3

)

َب٘بوٚطىیٔ عبفتضا H

( )µm

( یجؿ٘ یٔطخ ضبق

kgm^-2s^-1

)

( یتضاطح ف٘بؾض تیطض Wm^-1K^-1

)

( ٗؾزب٘ زسػ Kn

)

یث تیطض ظؾٛتٔ زاظآ ّٝنبف سؼث

َب٘بوٚطىیٔ َٛع L

( )µm

( خبٔ زسػ

)

( ضبكف kgm^-1s^-2

)

زسػ

( ُت٘اطپ

( )

)

( ظسِٛٙیض زسػ

)

( یٔطخ ٜبچ بی ٕٝكچ خط٘

kgm^-3s^-1

)

( ٖبٔظ

)s

( كّغٔ یبٔز

)K

تٟخ ضز تػطؾ

(x ms^-1

)

تٟخ ضز تػطؾ

(y ms^-1

)

( تػطؾ ٜظاس٘ا V ms^-1

)

ینبنوی میلاع ( ٝتیؿیٕتا تیطض

)

ّٝنبف

( ظؾٛتٔ زاظآ )m

( یىیٔبٙیز تخعِ

kgm^-1s^-1

)

( یِبٍچ kgm^-3

)

تٔبلا تیطض

یغط٘ا یٞاطٕٞ تیطض ( یغط٘ا فلاتا

)J

ءعخ یٔطخ طؿو

ْاi

سیونریز به

َب٘بو َٛع ضز ّٝنبف طث زٕٛػ تٟخ

ءعخ ٜس٘ضبٕق

َب٘بو َٛع ضز ّٝنبف تٟخ

ٜضاٛیز

ٜضاٛیز wall

عجارم-6 [1] V. Martini, S. Bernardini, M. Bendahan, K. Aguir, P. Perrier, I.

Graur, Microfluidic gas sensor with integrated pumping system, Sensors and Actuators B, Vol. 170, No.1, pp. 45– 50, 2012.

[2] S.I. Ohira, K. Toda, Micro gas analyzers for environmental and medical applications, Analytica Chimica Acta, Vol. 619, No. 2, pp.

143-156, 2008.

[3] P.S. Dittrich, K. Tachikawa, A. Manz, Micro total analysis latest advancements and trends, Analytical Chemistry, Vol. 78, No. 12, pp. 3887–3908, 2006.

[4] M. Bendahan, J. Gu´erin, R. Boulmani, K. Aguir, WO3 sensor response according to operating temperature: Experiment and modeling, Sensors and Actuators B, Vol. 124, No. 1, pp. 24-29, 2007.

[5] J.G. Méolans, I.A. Graur, Continuum analytical modeling of thermal creep, Mechanics B, Vol. 27, No. 6, pp. 785-809, 2008.

[6] I. Zahmatkesh, M. M. Alishahi, H. Emdad, New velocity-slip and temperature-jump boundary conditions for Navier–Stokes computation of gas mixture flows in microgeometries, Mechanics Research Communications, Vol. 38, No. 6, pp. 417-424, 2011.

[7] X. Liu, Z. Guo, A lattice Boltzmann study of gas flows in a long microchannel, Computers and Mathematics with Applications, , Vol. 65, No. 2, pp. 186-193, 2013.

[8] M. R. Shetab Bushehri, H. Ramin, M.R. Salimpour, A new coupling method for slip-ﬂow and conjugate heat transfer in a parallel plate micro heat sink, Thermal Sciences, , Vol. 89, No.1, pp. 174-184, 2015.

[9] V.S. Duryodhan, A. Singh, S.G. Singh, A. Agrawal, Convective heat transfer in diverging and converging microchannels, Heat and Mass Transfer, Vol. 80, No.1, pp. 424-438, 2015.

[10] H. Rahmatipour, A. R. Azimian, Molecular dynamics simulation of Couette flow behavior in smooth and rough nanochannels, Modares Mechanical Engineering, Vol. 15, No. 7, pp. 119-130, 2015. (in Persianیؾضبف)

[11] R. Mazooji, A. Raisi, Effect of Viscous dissipation on gaseous flow heat transfer in a horizontal microchannel with rarefaction and axial conduction, Modares Mechanical Engineering, Vol. 13, No.

6, pp. 83-95, 2013. (in Persianیؾضبف)

(7)

[12] M. Kamvar, M. Ghassemi, Performance analysis of coplanar single chamber solid oxide fuel cell with oxygen-methane-nitrogen mixture under steady state conditions, Modares Mechanical Engineering, Vol. 17, No. 1, pp. 31-38, 2017. (in Persianیؾضبف).

[13] S. G. Kandlikar, S. Garimella, D. Li, S. Colin, M. R. King, Heat Transfer and Fluid Flow in Minichannels and Microchannels, First Edittion, pp. 9-86, Chennai: Elsevier, 2006.