هدف از انجام این تحقیق شبیه­سازی جریان جابجایی طبیعی نانوسیال است. بر این اساس و به منظور آشنایی بیشتر با ویژگی­های این تحقیق، نیاز به درک بهتر مفاهیم مطرح شده مثل جابجایی طبیعی، خواص نانوسیال و جریان نانوسیال است. این فصل هر یک از مفاهیم فوق را به­طور جداگانه معرفی کرده و ویژگی­ها و پیچیدگی­های آن­ها را به شکل اجمالی مطرح می­نماید.
1-1- جابجایی طبیعی
یکی از مسایل بسیار مهم در مکانیک سیالات حرکت سیالات در طبیعت و صنعت است که مهندسان همه­ روزه با آن سروکار دارند. برخی از جریانات حاصل از جابجایی طبیعی[1] ناشی از نیروی ارشمیدس است. در مبحث انتقال حرارت صفت “طبیعی“، به جریان­هایی اختصاص می­یابد که نتیجه اختلاف چگالی جرمی هستند، درحالیکه وقتی جریان در اثر گرادیان فشار و یا شرایط مرزی سرعت اتفاق می­افتد، جابجایی اجباری[2] اصطلاح مناسب­تری است. بعضی از نویسندگان و محققین، بین جابجایی طبیعی داخلی (در محوطه بسته) و خارجی (اطراف اشیا) دچار اشتباه می­گردند. الگو­های رفتاری این دو متفاوت از هم بوده و دومی جابجایی آزاد[3] نیز نامیده می­شود. اختلاف چگالی در اثر اختلاف فاز، اختلاف غلظت و یا دما ایجاد می­شود. حباب­های بخار در آب نمونه­ای از حالت اول هستند. قانون ارشمیدس بیان می­کند که نیروی خالص به طرف بالا که به حباب وارد می­شود، برابر است با شتاب جاذبه ضرب­ در اختلاف بین جرم جابجا شده از آب و جرم بخار حباب، که این نیروی شناوری باعث بالا رفتن حباب می­شود. حرکت­های نفوذی نمونه­ای از حالت دوم هستند که در آن، طبیعت سعی می­کند غلظت محلول را در جهت ماکزیمم کردن آنتروپی یکسان کند. مسأله­ای که در پیش روست، مثالی برای حالت سوم است که از این به

 بعد به بررسی آن پرداخته می­شود. به عنوان بخشی از کاربردهای صنعتی و مهندسی و نمونه­های عملی این جریان، می­توان به موارد زیر اشاره کرد:

 جابجایی هوا و تهویه در داخل بناها و ساختمان­ها، تانکرهای ذخیره مایعات، ساختار سلول­های خورشیدی، خنک کاری تجهیزات الکترونیکی، انتقال حرارت طی رشد کریستال­ها و جریان بین دیواره­های رآکتور هسته­ای.
می­دانیم وقتی قسمتی از سیال نسبت به قسمت دیگر گرم­تر باشد، منبسط شده و چگالی آن کم می­شود. به همین دلیل است که گردابه­های حرارتی در اتمسفر و اقیانوس­ها ایجاد می­گردند و یا بالن­هایی که با هوای گرم پر می­شوند، بالا می­روند.  جابجایی­های طبیعی به دو دسته تقسیم می­گردند که هر کدام با الگو­های رفتاری خاصی مشخص می­شوند. اولین دسته که “گرمایش از سطح زیرین”[4] نام دارد، در اثر حرارت دادن یک صفحه زیرین که سیال سردتری در روی آن در جریان است، ایجاد می­گردد. مشخصه اصلی این دسته، وجود ساختارهای بزرگ و منسجم در سیال مانند پلوم­ها[5]، سلول­های حرارتی[6] و سلول­های رایلی-بنارد[7] است. دومین دسته به “گرمایش از کناره­ها”[8] معروفند که صفحه عمودی گرم ساده­ترین مثال این دسته به شمار می­رود. مشخصه اصلی این دسته هم گرادیان­های شدید دما و سرعت در لایه­های مرزی است.
امروزه، تحقیقات مکانیک سیالات در این خصوص به دو زمینه مطالعاتی محدود می­شود. زمینه مطالعاتی اول اندازه­گیری تجربی داده­های جریان و دیگری، شبیه سازی عددی معادلات ریاضی حاکم بر جریان است. مطالعه در هر کدام از این زمینه­ها مشکلات مخصوص به خود را دارد. کار تجربی از نااطمینانی­هایی که در شرایط مرزی وجود دارد و همچنین مشکل اندازه واقعی مدل رنج می­برد و معمولا پر هزینه­تر از روش عددی است. هر چند برای اثبات درستی روش عددی و بدست آوردن فرضیات و ثوابت تجربی، روش تجربی همواره لازم است. اما اگر یک مدل عددی برای حالت خاصی به کمک داده­های تجربی تأیید شود، نتایج آن مدل برای حالت­های مشابه نیز قابل استناد است، بدون اینکه برای آن حالت­ها نیاز به هزینه کار تجربی باشد و این نقطه قوت شبیه سازی عددی است.
2-1- نانوسیال
گرمایش و سرمایش یک سیستم توسط سیال در بسیاری از صنایع مانند صنایع الکترونیک، نیروگاه­ها، دستگاه­های نوری ،آهنرباهای ابر رسانا، کامپیوتر­های فوق سریع، موتورهای ماشین و بسیاری از کارخانجات از اهمیت زیادی برخوردار است. تمامی سیستم­های خنک کننده وگرمایشی بر پایه انتقال حرارت طراحــی می­شوند. با توجه به این امر توسعه تکنیک­های موثر انتقال حرارت با توجه به محدودیت منابع طبیعی و تمایل به کاهش هزینه­ها بسیار ضروری می­باشد. بطور معمول سیستم­های خنک کننده با هوا بیشتر مورد استفاده قرار گرفته و قابل اطمینان­تر هستند. اما زمانیکه نیاز به شار حرارتی[1] بالا و انتقال حرارت سریع وجود دارد، از مایعاتی مانند آب، اتیلن گلیکول و مایعات مناسب دیگر استفاده می­شود که محدودیت حرارتی دارند. سیالات معمول مورد استفاده برای انتقال حرارت دارای ضریب رسانش حرارتی پایین می­باشند، در حالی که فلزات دارای رسانش حرارتی بالاتر از سه برابر اینگونه سیالات می­باشند. بنابراین استفاده از ذرات جامد فلزی و ترکیب آن­ها با اینگونه سیالات برای افزایش ضریب رسانش حرارتی و در نتیجه افزایش راندمان حرارتی بسیار مطلوب به نظر می­رسد.
ماکسول در سال 1881[2] [1] برای اولین بار بحث افزایش ذرات جامد به سیال را مطرح کرد و رابطه­ای برای ضریب رسانش حرارتی مخلوط سیال خالص و ذرات جامد ارائه نمود. سالها استفاده از سوسپانسیون سیال و ذرات جامد بسیار کوچک در ابعاد میکرو مورد توجه محققین بوده است. اما این سیالات با ذرات جامد معلق در حد میکرومتر[3] مشکلات فراوانی مانند رسوب گذاری، ناخالصی، خوردگی و افزایش افت فشار و… داشته­اند تا اینکه ابتدا ماسودا و همکاران [2] و سپس چویی [3] ایده نانوسیال[4] را برای اولین بار مطرح نمودند و انقلاب بزرگی در زمینه انتقال حرارت در سیالات پدید آوردند. همچنین به مقدار زیادی خوردگی، ناخالصی و مشکلات افت فشار به دلیل کوچک بودن ذرات کاهش پیدا کرد و از طرفی پایداری برخی سیالات در مقابل رسوب­گذاری بطور چشم­گیری بهبود یافت. نانوتکنولوژی بطور کلی معرف روش جابجایی تک­تک اتم­ها و آرایش آن­ها به صورت دلخواه می­باشد. به همین سبب اندازه و ابعاد کاری این مجموعه بسیار کوچک­اند که البته پیشوند نانو بیانگر حدود این فناوری است. نانوسیال عبارت است از ذرات بسیار ریز جامد در ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر[5] معلق در یک سیال پایه. بطور معمول نانوذرات از جنس فلزاتی مانند مس، آلومینیوم، پتاسیم، سیلیسم و اکسیدهای آن­ها و سیالات پایه نیز عمدتا از سیالات با رسانایی پایین مانند آب، اتیلن گلیکول و سیالاتی از این دسته که در صنعت به عنوان هادی انتقال حرارت مورد استفاده قرار می­گیرند، می­باشند. در سال­های اخیر افزایش ذرات جامد به سیال به دلیل افزایش خواص حرارتی سیال و در نتیجه افزایش انتقال حرارت مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته است. تحقیقات محققین نشان می­دهد که ضریب رسانش حرارتی در نانوسیال حدود 15 تا 40 درصد و راندمان حرارتی حدود 40 درصد نسبت به سیال پایه افزایش می یابد [4].
[1] Heat Flux
[2] Nano Fluid
[3] Micrometer
[4] Nano Fluid
[5] Nanometer
[1] Natural Convection
[2] Forced Convection
[3] Free Convection
[4] Heating-from-below
[5] Plumes
[6] Thermal Cells
[7] Rayleigh-Benard
[8] Heating-from-the-side