عنوان مقاله:
انتقال حرارت همرفت مخلوط با استفاده از نانوسیالات، نانوسیالات یونی و نانوسیالات هیبریدی در یک لوله افقی
Mixed convection heat transfer utilizing Nanofluids, ionic Nanofluids, and hybrid nanofluids in a horizontal tube
سال انتشار: 2022
رشته: مهندسی مکانیک - مهندسی نفت
گرایش: مکانیک سیالات - مهندسی حفاری - مهندسی بهره برداری
دانلود رایگان این مقاله:
مشاهده سایر مقالات جدید:
3. Mathematical model
The mathematical model includes the governing differential equations (conservation equations), which consists of mass, momentum, and energy conservation equations as reported by Darzi, et al. [35] in addition to boundary conditions in dimensionless form. A computational fluid dynamic (CFD) is used to solve the governing differential equations. The method Mixed convection heat transfer utilizing Nanofluids, ionic Nanofluids, and hybrid nanofluids 9497 used is the finite volume technique developed by Patankar [36]. The approaching study depends on assumptions of 2-D steadystate cylindrical co-ordinate with incompressible fluid behaviour. In addition, the Boussinesq approximation is assumed, which considers all properties including density as constant except the density term in the body force term of the equation where density variation with temperature is considered. The study is carried on a fluid flow inside an isothermal circular tube of length (L) and radius (R) at the entrance as shown in Fig. 1. 3.1. Dimensional form of governing equations The governing equations for the current problem under consideration are based on the balance laws of mass, linear momentum, and thermal energy in two-dimensional steadystate conditions. In the light of the assumptions mentioned above, the continuity, momentum, and energy in twodimensional equations can be written as reported by Darzi et al.
4. Results and discussion
The present study results can be classified according to the type of added nanoparticles; nanofluids, hybrid nanofluids, and ionic nanofluids. To explain the results properly, the behavior of thermophysical properties of the three types of nanofluids should be understood correctly with respect to flow speed and nanoparticles concentration. In natural convection heat transfer thermal conductivity (k), thermal volumetric expansion (b), and dynamic viscosity (m) are the main three parameters that affect thermal and flow field behavior. The natural convection is affected by the ratio between the buoyancy force and the viscous force. Buoyancy force mainly depends on the thermal volumetric expansion, and viscous force depends on viscosity. Thus, the increase in thermal volumetric expansion and decrease in dynamic viscosity enhances the natural convection mechanism due to the potential of the weight effect of the Richardson number term in Eq. (7) and vice versa. The increase in thermal conductivity, which is the main effect of the addition of the nanoparticles, enhances the Nusselt number. As the present study focuses on mixed convection, in addition to natural convection which has been explained previously, forced convection behavior should be considered as well. Reynolds number plays a critical role not only to determine the type of flow but also in the resulted friction, which can be presented by the friction coefficient (f). Consequently, flow speed and nanoparticles concentration draw the enhancement map of the Nusselt number at the same Richardson number. Hence, both aspects should be studied carefully to determine the suitable type of fluid for a certain application that depends on their performance evaluation criteria (k). According to the above clarification, the experimental thermophysical properties of the hybrid nanofluids and Ionanofluid strongly affect the heat transfer results. Therefore, the results would be adequately discussed. 4.1. Nanofluids Three different nanoparticles would be added to the base fluid (water), Al2O3, TiO2, and Cu respectively, to form three different nanofluids with different concentrations of 0.5%, 1%, and 2%. Thermophysical properties equations of nanofluids, as selected from Ghasemi and Aminossadati [37] with considering the Brownian effect, are shown in Table 1. A wide range of Richardson number is studied to represent the variation of Nusselt number, and its ratio on both pure water and nanofluids. This effect could be illustrated in Fig. 5. It is shown that at low Richardson number, Nusselt number value of nanofluids is greater than of pure water. However, by increasing the Richardson number, the Nusselt number value of nanofluids decreases till it becomes less than pure water.
(دقت کنید که این بخش از متن، با استفاده از گوگل ترنسلیت ترجمه شده و توسط مترجمین سایت ای ترجمه، ترجمه نشده است و صرفا جهت آشنایی شما با متن میباشد.)
3. مدل ریاضی
مدل ریاضی شامل معادلات دیفرانسیل حاکم (معادلات بقا) است که شامل معادلات بقای جرم، تکانه و انرژی است که توسط درزی و همکاران گزارش شده است. [35] علاوه بر شرایط مرزی به صورت بدون بعد. دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) برای حل معادلات دیفرانسیل حاکم استفاده می شود. روش انتقال حرارت جابجایی مختلط با استفاده از نانوسیالات، نانوسیالات یونی و نانوسیالات هیبریدی 9497 مورد استفاده، تکنیک حجم محدود توسعه یافته توسط پاتانکار [36] است. مطالعه نزدیک به مفروضات مختصات استوانه ای حالت پایدار دو بعدی با رفتار سیال تراکم ناپذیر بستگی دارد. علاوه بر این، تقریب Boussinesq در نظر گرفته شده است، که تمام ویژگی ها از جمله چگالی را ثابت در نظر می گیرد به جز ترم چگالی در عبارت نیروی بدنه معادله که در آن تغییرات چگالی با دما در نظر گرفته می شود. مطالعه بر روی یک جریان سیال در داخل یک لوله دایره ای همدما به طول (L) و شعاع (R) در ورودی انجام می شود که در شکل 1 نشان داده شده است. 3.1. شکل بعدی معادلات حاکم معادلات حاکم برای مسئله فعلی مورد بررسی بر اساس قوانین موازنه جرم، تکانه خطی و انرژی حرارتی در شرایط دوبعدی حالت پایدار است. در پرتو مفروضاتی که در بالا ذکر شد، تداوم، تکانه و انرژی در معادلات دو بعدی را می توان همانطور که توسط درزی و همکاران گزارش شده است، نوشت.
4. نتایج و بحث
نتایج مطالعه حاضر را می توان بر اساس نوع نانوذرات اضافه شده طبقه بندی کرد. نانوسیالات، نانوسیالات هیبریدی و نانوسیالات یونی. برای توضیح صحیح نتایج، باید رفتار خواص ترموفیزیکی سه نوع نانوسیال با توجه به سرعت جریان و غلظت نانوذرات به درستی درک شود. در انتقال حرارت جابجایی طبیعی هدایت حرارتی (k)، انبساط حجمی حرارتی (b) و ویسکوزیته دینامیکی (m) سه پارامتر اصلی هستند که بر رفتار حرارتی و میدان جریان تأثیر می‌گذارند. همرفت طبیعی تحت تأثیر نسبت بین نیروی شناوری و نیروی ویسکوز است. نیروی شناوری عمدتاً به انبساط حجمی حرارتی بستگی دارد و نیروی ویسکوزیته به ویسکوزیته بستگی دارد. بنابراین، افزایش انبساط حجمی حرارتی و کاهش ویسکوزیته دینامیکی، مکانیسم همرفت طبیعی را به دلیل پتانسیل اثر وزنی عبارت عدد ریچاردسون در معادله افزایش می‌دهد. (7) و بالعکس. افزایش رسانایی حرارتی که اثر اصلی افزودن نانوذرات است، عدد ناسلت را افزایش می‌دهد. از آنجایی که مطالعه حاضر بر همرفت مختلط تمرکز دارد، علاوه بر همرفت طبیعی که قبلا توضیح داده شد، باید رفتار همرفت اجباری را نیز در نظر گرفت. عدد رینولدز نه تنها برای تعیین نوع جریان بلکه در اصطکاک حاصل نیز نقش مهمی ایفا می کند که می تواند با ضریب اصطکاک (f) ارائه شود. در نتیجه، سرعت جریان و غلظت نانوذرات نقشه افزایش عدد ناسلت را با همان عدد ریچاردسون ترسیم می‌کنند. از این رو، هر دو جنبه باید به دقت مورد مطالعه قرار گیرند تا نوع مناسب سیال برای یک کاربرد خاص که به معیارهای ارزیابی عملکرد آنها بستگی دارد (k) تعیین شود. با توجه به توضیحات فوق، خواص ترموفیزیکی تجربی نانوسیالات هیبریدی و یونانوفلوید به شدت بر نتایج انتقال حرارت تأثیر می گذارد. بنابراین، نتایج به اندازه کافی مورد بحث قرار خواهند گرفت. 4.1. نانوسیال‌ها سه نانوذره مختلف به ترتیب به سیال پایه (آب)، Al2O3، TiO2 و Cu اضافه می‌شوند تا سه نانوسیال مختلف با غلظت‌های مختلف 0.5، 1 و 2 درصد را تشکیل دهند. معادلات خواص ترموفیزیکی نانوسیالات، که از قاسمی و امین الساداتی [37] با در نظر گرفتن اثر براونی انتخاب شده است، در جدول 1 نشان داده شده است. دامنه وسیعی از عدد ریچاردسون برای نشان دادن تغییرات عدد ناسلت و نسبت آن بر روی آب خالص مورد مطالعه قرار گرفته است. و نانوسیالات این اثر را می توان در شکل 5 نشان داد. نشان داده شده است که در عدد ریچاردسون کم، مقدار عدد ناسلت نانوسیالات بیشتر از آب خالص است. با این حال، با افزایش عدد ریچاردسون، مقدار عدد ناسلت نانوسیال کاهش می‌یابد تا اینکه از آب خالص کمتر شود.
