شبیه سازی عددی جریان، انتقال حرارت جابجایی آزاد و کسر حجمی نانوذرات داخل حفره ذوزنقه ای با استفاده از مدل بونگیورنو

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

چکیده

در این مقاله، جریان همرفتی نانوسیال آب و نانوذرات اکسید آلومینیوم داخل حفره ذوزنقه با استفاده از مدل دوفاز بونگیورنو به صورت عددی شبیه‌سازی شد. اثر تغییر زاویه اضلاع جانبی محفظه ذوزنقه‌ای بر انتقال حرارت، جرم و مومنتوم مورد بررسی قرار گرفته شده است. معادلات حاکم بر مسئله، معادلات مومنتوم، انرژی و انتقال کسر حجمی نانوذرات می‌باشند که به همراه شرایط مرزی به روش حجم محدود و الگوریتم سیمپل حل شده‌اند. برای گسسته‌سازی ترم‌های جابجایی و پخش به ترتیب از الگوهای بالادست و تفاضل مرکزی استفاده شده است. دیواره‌های چپ و راست حفره دمای ثابت داشته و دیواره‌های بالا و پایین عایق حرارتی می‌باشند. زاویه شیب اضلاع جانبی )چپ و راست( مابین 0 ، 30 و 45 درجه و عدد رایلی بین 100 تا 10000 و کسر حجمی نانوذرات از 01 / 0 تا 04 / 0 متغیر می‌باشد. نتایج نشان می‌دهد که در اعداد رایلی پایین به ازای مقدار نانوذرات یکسان، با افزایش زاویه اضلاع از صفر به 45 درجه، عدد نوسلت و به تبع آن انتقال حرارت به میزان متوسط 81 درصد کاهش می‌یابد. از طرفی با افزایش عدد رایلی، برای محفظه در زاویه 30 درجه حالت بهینه حاصل و عدد نوسلت به میزان 5/ 5 درصد، نسبت به محفظه مربعی و 8/ 6 درصد نسبت به حالت 45 درجه افزایش می‌یابد. همچنین نتایج، توزیع نسبتا یکنواختی برای نانوذرات در رایلی‌های بالا در تمامی محفظه‌ها با زاویه اضلاع مختلف نشان می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical Simulation of Flow, Natural Convection and Distribution of Nano Particles inside Trapezoidal Cavity using Buongiorno’s Model

نویسندگان [English]

  • morteza bashir
  • Samad Jafarmadar
  • Saber Yekani Motlagh
  • Shahram Khalilarya
Department of Mechanical Engineering, Urmia University, Urmia, Iran
چکیده [English]

In the present study, natural convection of Al2O3–water nanofluid and nano-particles local distribution inside the trapezium enclosure has been investigated using non-homogenous two- phase Buongiorno’s model. The governing equations of the problem are momentum, energy and volume fraction of nanoparticles that are solved using the finite volume method and the SIMPLE algorithm. Diffusion and convective terms are discretized using a second-order central difference and upwind schemes. The left and right walls of cavity are kept at constant temperatures, while the other walls are thermally insulated. Simulations have been carried out for different inclination angles, including 0°, 30°, and 45°, Rayleigh number (102≤Ra≤104) as well as particle average volume fraction ranging from 0.01 to 0.04. Results show that at low Rayleigh number for a specific particle volume fraction, with increasing the inclination angle from zero to 45 degree, the average Nusselt number and heat transfer decreases 81%. On the other hand, optimum results were obtained for the inclination angle of 30 degree. The Nusselt enhancement percent was obtained 5.5 compared to the square enclosure and 6.8 compared to the inclination angle of 45 degrees. Results also showed a uniform distribution for nanoparticles in high Rayleigh numbers and in enclosures with different inclination angles.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Trapezoidal cavity
  • Natural convection
  • Nanofluid
  • Thermophoresis
  • Buongiorno Model
[1]  X. Wang, A. Mujumdar, Heat transfer characteristics of nanofluids: a review, International journal of thermal sciences, 46(1) (2007) 1-19.
[2]  Y. Xuan, W. Roetzel, Conceptions for heat transfer correlation of nanofluids, International Journal of heat and Mass transfer, 43(19) (2000) 3701-3707.
[3]  S. Choi, J. Eastman, Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles, Argonne National Lab., IL (United States), 1995.
[4]   J. Buongiorno, Convective transport in nanofluids, Journal of heat transfer, 128(3) (2006) 240-250.
[5] J. Eastman, S. Choi, S. Li, W. Yu, L. Thompson, Anomalously increased effective thermal conductivities of ethylene glycol-based nanofluids containing copper nanoparticles Applied physics letters, 78(6) (2001) 718-720.
[6]  G. Polidori, S. Fohanno, C. Nguyen, A note on heat transfer modelling of Newtonian nanofluids in laminar free convection, International Journal of Thermal Sciences, 46(8) (2007) 739-744.
[7]  D. Tzou, Thermal instability of nanofluids in natural convection, International Journal of Heat and Mass Transfer, 51(11-12) (2008) 2967-2979.
[8]  M. Valipour, R. Masoodi, S. Rashidi, M. Bovand, M. Mirhosseini, A numerical study on convection around a square cylinder using Al2O3-H2O nanofluid, Thermal science, 18(4) (2014) 1305-1314.
[9]  M. Corcione, E. Habib, A. Quintino, A two- phase numerical study of buoyancy-driven convection   of   alumina–water    nanofluids in differentially-heated horizontal annuli, International Journal of Heat and Mass Transfer, 65 (2013) 327-338.
[10] M. Sheikholeslami, M. Gorji-Bandpy, S. Soleimani, Two phase simulation of nanofluid flow and heat transfer using heatline analysis, International Communications in Heat and Mass Transfer, 47 (2013) 73-81.
[11] M. Rashidi, A. Hosseini, I. Pop, S. Kumar, N. Freidoonimehr, Comparative numerical study of single and two-phase models of nanofluid heat transfer in wavy channel, Applied Mathematics and Mechanics, 35(7) (2014) 831-848.
[12] S.Y. Motlagh, H. Soltanipour, Natural convection of Al2O3-water nanofluid in an inclined cavity using Buongiorno’s two- phase model, International Journal of Thermal Sciences, 111 (2017) 310-320.
[13] N. Bondareva, M. Sheremet, I. Pop, Magnetic field effect on the unsteady natural convection in a right-angle trapezoidal cavity filled with a nanofluid: Buongiorno’s mathematical model, International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, 25(8) (2015) 1924-1946.
[14] I. Hashim, A. Alsabery, M. Sheremet, A. Chamkha, Numerical investigation of natural convection of Al2O3-water nanofluid in a wavy cavity with conductive inner block using Buongiorno’s two-phase model, Advanced Powder Technology, 30(2) (2019) 399-414.
[15] J. Rostami, A. Abbassi, M. Saffar-Avval, Numerical Heat Transfer by Nanofluids in a wavy walls Microchannel using Dispersion Method, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, (2018).(in Persian)
[16] M. Sepehrnia, H. Khorasanizadeh, R. Sadeghi, Investigation of nanofluid flow field and conjugate heat transfer in a MCHS with four different arrangements, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, (2017). (in Persian)
[17] Z. Haddad, H.F. Oztop, E. Abu-Nada, A. Mataoui, A review on natural  convective  heat transfer of nanofluids, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(7) (2012) 5363-5378.
[18] C. Ho, W. Liu, Y. Chang, C. Lin, Natural convection heat transfer of alumina-water nanofluid in vertical square enclosures: an experimental study, International Journal of Thermal Sciences, 49(8) (2010) 1345-1353.
[19] G. Sheikhzadeh, M. Dastmalchi, H. Khorasanizadeh, Effects of nanoparticles transport mechanisms on Al2O3–water nanofluid natural convection in a square enclosure, International Journal of Thermal Sciences, 66 (2013) 51-62.
[20] F. Garoosi, S. Garoosi, K. Hooman, Numerical simulation of natural convection and mixed convection of the nanofluid in a square cavity using Buongiorno model, Powder technology, 268 (2014) 279-292.
[21]  A.A.A. Arani, A.A. Azemati, M. Rezaee, B.S. Hadavand, Numerical study of different conduction models for Al 2 O 3-water nanofluid with variable properties inside a trapezoidal enclosure, Journal of Mechanical Science and Technology, 31(5) (2017) 2433-2441.