جابه‌جایی آزاد آشفته نانوسیال آب- اکسیدآلومینیوم با خواص متغیّر درون یک محفظه با وجود منبع گرم و منبع سرد روی دیواره‌های عمودی آن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران

چکیده

انتقال حرارت جابه جایی طبیعی نانوسیال آب- اکسیدآلومینیوم با خواص متغیر در جریان آشفته درون یک محفظه مربعی با منابع حرارتی گرم و سرد برجسته روی دیواره‌های عمودی آن به صورت عددی بررسی شده است. لزجت سیال پایه، ضریب هدایت حرارتی و لزجت نانوسیال تابع دما و کسر حجمی نانوذرات می‌باشند. معادلات حاکم در حالت دو بعدی با استفاده از روش حجم محدود بر مبنای المان محدود گسسته سازی شده‌اند و معیار همگرایی در آنها 10-6می‌باشد. برای مدل سازی آشفتگی نیز از مدل k-w-SST استفاده شده است. بر اساس نتایج، مشاهده می‌شود که تغییر محل قرارگیری منبع گرم و سرد روی دیواره‌ها و عدد رایلی باعث تغییر الگوی خطوط جریان و هم‌دما می‌شوند. در اعداد رایلی 107و 108عدد ناسلت متوسط با افزایش کسر حجمی نانوذرات تا 1درصد افزایش و سپس کاهش می‌یابد. برای بعضی از حالت‌ها عدد ناسلت متوسط نانوسیال نسبت به سیال پایه کمتر می‌باشد و لذا در هندسه مذکور، به کارگیری نانوسیال برای افزایش انتقال حرارت در این حالت‌ها مطلوب نمی‌باشد. به ازای هر دو عدد رایلی 107و ،108کمترین و بیشترین مقدار عدد ناسلت متوسط به ترتیب برای حالت‌های بالا- پایین و پایین-پایین رخ می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Natural Convection of Turbulent Al2O3-Water Nanofluid with Variable Properties in a Cavity with a Heat Source and Heat Sink on Vertical Walls

نویسندگان [English]

  • G. A. Sheikhzadeh
  • M. Sepehrnia
  • M. Rezaie
  • M. Mollamahdi
Department of Mechanical Engineering, University of Kashan, Kashan, Iran
چکیده [English]

Natural convection heat transfer of Al2O3-water nanofluid with variable properties in the turbulent flow inside a cavity with a heat source and heat sink on the vertical walls is studied numerically. Base fluid viscosity, thermal conductivity, and viscosity of nanofluids, are a function of temperature and volume fraction. The governing equations in the two-dimensional space are discretized using the control volume method. Turbulence computations are performed using the k-w-SST model. The results show that change in the placement of heat source and heat sink and Raleigh number have the effect on streamlines and isotherms. For Rayleigh numbers 107 and 108, the Nusselt number increases with increasing volume fraction of nanoparticles to 1%, and then decreases with increasing volume fraction of nanoparticles. Also, for some cases it is observed that the Nusselt number of nanofluids is less than the base fluid and therefore in these cases using nanofluids for enhanced heat transfer is not proposed. For Rayleigh numbers 107 and 108, the least Nusselt number occurs in top-bottom case, and the most Nusselt number occurs in bottom – bottom case.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nanofluid
  • Numerical study
  • Natural convection
  • Variation Property
  • Turbulence

مراجع

[1] A. Valencia, R.L. Frederick, Heat transfer in square cavities with partially active vertical walls, International Journal of Heat and Mass Transfer, 32(8) (1989) 1567-1574.
[2] N. Nithyadevi, P. Kandaswamy, J. Lee, Natural convection in a rectangular cavity with partially active side walls, International Journal of Heat and Mass Transfer, 50(23-24) (2007) 4688-4697.
[3] P. Kandaswamy, N. Nithyadevi, C. Ng, Natural convection in enclosures with partially thermally active side walls containing internal heat sources, Physics of Fluids, 20(9) (2008) 097104.
[4] M. Sankar, M. Bhuvaneswari, S. Sivasankaran, Y. Do, Buoyancy induced convection in a porous cavity with partially thermally active sidewalls, International journal of heat and mass transfer, 54(25-26) (2011) 5173-5182.
[5] G. Sheikhzadeh, A. Arefmanesh, M. Dastmalchi, H. Ardeshiri, Numerical Study of Natural Convection of Al2O3-Water Nanofluid in a cavity, Amirkabir Journal of Science and Research, 45(1) (2013) 39-49. (In Persian)
[6] G. Sheikhzadeh, A. Arefmanesh, M. Kheirkhah, R. Abdollahi, Natural convection of Cu–water nanofluid in a cavity with partially active side walls, European Journal of Mechanics-B/Fluids, 30(2) (2011) 166-176.
[7] R. Jmai, B. Ben-Beya, T. Lili, Heat transfer and fluid flow of nanofluid-filled enclosure with two partially heated side walls and different nanoparticles, Superlattices and Microstructures, 53 (2013) 130-154.
[8] F. Wu, G. Wang, W. Zhou, A thermal nonequilibrium approach to natural convection in a square enclosure due to the partially cooled sidewalls of the enclosure, Numerical Heat Transfer, Part A: Applications, 67(7) (2015) 771-790.
[9] R. Nikbakhti, J. Khodakhah, Numerical investigation of double diffusive buoyancy forces induced natural convection in a cavity partially heated and cooled from sidewalls, Engineering Science and Technology, an International Journal, 19(1) (2016) 322-337.
[10] G. Barakos, E. Mitsoulis, D. Assimacopoulos, Natural convection flow in a square cavity revisited: laminar and turbulent models with wall functions, International Journal for Numerical Methods in Fluids, 18(7) (1994) 695-719.
[11] M. Aounallah, Y. Addad, S. Benhamadouche, O. Imine, L. Adjlout, D. Laurence, Numerical investigation of turbulent natural convection in an inclined square cavity with a hot wavy wall, International Journal of Heat and Mass Transfer, 50(9-10) (2007) 1683-1693.
[12] G.V. Kuznetsov, M.A. Sheremet, Numerical simulation of turbulent natural convection in a rectangular enclosure having finite thickness walls, International Journal of Heat and Mass Transfer, 53(1-3) (2010) 163-177.
[13] M.H. Hasanen, H.J. Akeiber, Laminar and Turbulent Natural Convection Simulation with Radiation in Enclosure, in: Applied Mechanics and Materials, Trans Tech Publ, 2016, pp. 3-11.
[14] T. Kogawa, J. Okajima, A. Sakurai, A. Komiya, S. Maruyama, Influence of radiation effect on turbulent natural convection in cubic cavity at normal temperature atmospheric gas, International Journal of Heat and Mass Transfer, 104 (2017) 456-466.
[15] F.R. Menter, Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications, AIAA journal, 32(8) (1994) 1598-1605.
[16] K. Khanafer, K. Vafai, M. Lightstone, Buoyancy-driven heat transfer enhancement in a two-dimensional enclosure utilizing nanofluids, International journal of heat and mass transfer, 46(19) (2003) 3639-3653.
[17] M. Corcione, Empirical correlating equations for predicting the effective thermal conductivity and dynamic viscosity of nanofluids, Energy Conversion and Management, 52(1) (2011) 789-793.
[18] A. Bejan, Convection heat transfer, John wiley & sons, 2013.
[19] Z. Alloui, P. Vasseur, M. Reggio, Natural convection of nanofluids in a shallow cavity heated from below, International journal of Thermal sciences, 50(3) (2011) 385-393.
[20] H. Dixit, V. Babu, Simulation of high Rayleigh number natural convection in a square cavity using the lattice Boltzmann method, International journal of heat and mass transfer, 49(3-4) (2006) 727-739.
[21] N.C. Markatos, K. Pericleous, Laminar and turbulent natural convection in an enclosed cavity, International Journal of Heat and Mass Transfer, 27(5) (1984) 755-772.
[22] P. Le Quéré, Accurate solutions to the square thermally driven cavity at high Rayleigh number, Computers & Fluids, 20(1) (1991) 29-41.
[23] E. Abu-Nada, A.J. Chamkha, Effect of nanofluid variable properties on natural convection in enclosures filled with a CuO–EG–water nanofluid, International Journal of Thermal Sciences, 49(12) (2010) 2339-2352.
[24] E. Abu-Nada, Effects of variable viscosity and thermal conductivity of Al2O3–water nanofluid on heat transfer enhancement in natural convection, International Journal of Heat and Fluid Flow, 30(4) (2009) 679-690.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 50، شماره 6
بهمن و اسفند 1397
صفحه 1237-1250

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار