بررسی عددی تاثیر خواص ترموفیزیکی نانوسیال بر جریان سیال و انتقال حرارت در یک لوله در حضور میدان مغناطیسی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

2 گیلان*مهندسی مکانیک

چکیده

در این مطالعه، جریان هیدرودینامیکی و انتقال حرارت در یک لوله افقی صاف نیمه‌عایق، تحت انتقال حرارت جابجایی اجباری با شار حرارتی ثابت در حضور میدان مغناطیسی به صورت عددی مورد بررسی قرارگرفته‌است. در نتیجه، اثرات تغییرات چگالی، ظرفیت حرارتی ویژه، ضریب هدایت حرارتی و ویسکوزیته سیال وابسته به دما بر مشخصه‎های اصطکاکی جریان و ضریب انتقال حرارت موضعی و متوسط مورد مطالعه قرارگرفته‌است. ابتدا به منظور اعتبارسنجی، نتایج عددی حاضر با نتایج تحلیلی و همچنین نتایج تجربی در یک لوله صاف تحت شار حرارتی ثابت مقایسه شده که از تطابق مطلوبی برخوردار می‌باشد. نتایج نشان می‌دهد که اختلاف چشمگیری بین نتایج خواص ثابت و خواص متغیر برای سیال روغن ترانسفورماتور وجود دارد. تغییرات پروفیل سرعت سیال، منجر به تغییر در مشخصه‌های سیال از جمله ضریب اصطکاک و ضریب انتقال حرارت شده‌است. با درنظرگرفتن تغییرات پارامترها نسبت به خواص ثابت مشاهده شد که ویسکوزیته سیال پایه و نانو سیال به ترتیب با تقریب 30 و 25 درصد افزایش در ضریب انتقال حرارت و ضریب اصطکاک ظاهری نسبت به خواص ثابت، بیشینه اثرگذاری را دارد. با وجود وابستگی خواص حرارتی نانو سیال به ویسکوزیته وابسته به دما، تغییر ضریب هدایت حرارتی منجر به افزایش 35 درصدی ضریب انتقال حرارت در حضور میدان مغناطیسی شده‌است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical investigation of the effect of thermophysical properties of nanofluid on fluid flow and heat transfer in a tube in presence of magnetic field

نویسندگان [English]

  • Yahya Malmir Chegini 1
  • nima amani fard 2
1 Faculty of Mechanical Engineering, University of Guilan, Iran
چکیده [English]

In this paper, flow characteristics and heat transfer in a smooth horizontal pipe subjected to forced heat convection with constant wall heat flux in the presence of magnetohydrodynamic have been computationally analyzed. The effects of temperature-dependent density, specific heat capacity, thermal conductivity, and viscosity on heat transfer and frictional flow characteristics of transformer oil and local and average heat transfer coefficient have been numerically investigated. Firstly, to validate, the present numerical result has been compared with the analytical and experimental results through a smooth pipe, which shows a good agreement. A significant deviation between constant and variable properties has been achieved. Changes in fluid velocity profiles have led to changes in fluid characteristics including coefficient of friction and heat transfer coefficient. By considering the changes in the parameters, it was observed that the viscosity of the base fluid and the nanofluid have the maximum effect with approximately 30 and 25% increase in heat transfer coefficient and apparent friction coefficient relative to the fixed properties, respectively. Despite the dependence of the thermal properties of the nanofluid on temperature-dependent viscosity, the change in thermal conductivity leads to 35% increase in the heat transfer coefficient in the presence of a magnetic field.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Numerical Analysis
  • Fluid properties
  • magnetic field
  • Nanofluid
  • heat transfer
[1] D. Wen, G. Lin, S. Vafaei, K. Zhang, Review of nanofluids for heat transfer applications, Particuology, 7(2) (2009) 141-150.
[2] M. Ashouri, B. Ebrahimi, M. Shafii, M. Saidi, M. Saidi, Correlation for Nusselt number in pure magnetic convection ferrofluid flow in a square cavity by a numerical investigation, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 322(22) (2010) 3607-3613.
[3] R. Azizian, E. Doroodchi, T. McKrell, J. Buongiorno, L. Hu, B. Moghtaderi, Effect of magnetic field on laminar convective heat transfer of magnetite nanofluids, International Journal of Heat and Mass Transfer, 68 (2014) 94-109.
[4] S.V. Mousavi, M. Sheikholeslami, M.B. Gerdroodbary, The Influence of magnetic field on heat transfer of magnetic nanofluid in a sinusoidal double pipe heat exchanger, Chemical Engineering Research and Design, 113 (2016) 112-124.
[5] M. Sheikholeslami, S. Shehzad, Numerical analysis of Fe3O4–H2O nanofluid flow in permeable media under the effect of external magnetic source, International Journal of Heat and Mass Transfer, 118 (2018) 182-192.
[6] Y. Malmir-Chegini, N. Amanifard, Heat transfer enhancement inside semi-insulated horizontal pipe by controlling the secondary flow of oil-based ferro-fluid in the presence of non-uniform magnetic field: A general correlation for the Nusselt number, Applied Thermal Engineering, 159 (2019) 113839.
[7] R. Kumar, S.P. Mahulikar, Heat transfer characteristics of water flowing through micro-tube heat exchanger with variable fluid properties, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 140(4) (2020) 1919-1934.
[8] T. Harms, M. Jog, R. Manglik, Effects of temperature-dependent viscosity variations and boundary conditions on fully developed laminar forced convection in a semicircular duct, Journal of Heat Transfer (Transactions of the ASME),  120 (1998) 600-605.
[9] J. Liu, X. Peng, B. Wang, Variable-property effect on liquid flow and heat transfer in microchannels, Chemical Engineering Journal, 141(3) (2008) 346-353.
[10] J.T. Liu, X.F. Peng, W.M. Yan, Numerical study of fluid flow and heat transfer in microchannel cooling passages, International Journal of Heat and Mass Transfer, 50(10) (2007) 1855-1864.
[11] S. Mahulikar, H. Herwig, Physical effects in laminar microconvection due to variations in incompressible fluid properties, Physics of Fluids, 18(7) (2006) 073601.
[12] H. Herwig, S.P. Mahulikar, Variable property effects in single-phase incompressible flows through microchannels, International Journal of Thermal Sciences, 45(10) (2006) 977-981.
[13] S. Mahulikar, H. Herwig, O. Hausner, F. Kock, Laminar gas micro-flow convection characteristics due to steep density gradients, EPL (Europhysics Letters), 68(6) (2004) 811.
[14] S.P. Mahulikar, H. Herwig, Physical effects in pure continuum-based laminar micro-convection due to variation of gas properties, Journal of Physics D: Applied Physics, 39(18) (2006) 4116.
[15] R. Kumar, S. Mahulikar, Variable fluid property effect on heat transfer and frictional flow characteristics of water flowing through microchannel, Journal of Engineering Thermophysics, 27(4) (2018) 456-473.
[16] D.H. Lobón, E. Baglietto, L. Valenzuela, E. Zarza, Modeling direct steam generation in solar collectors with multiphase CFD, Applied Energy, 113 (2014) 1338-1348.
[17] S. Aberoumand, A. Jafarimoghaddam, M. Moravej, H. Aberoumand, K. Javaherdeh, Experimental study on the rheological behavior of silver-heat transfer oil nanofluid and suggesting two empirical based correlations for thermal conductivity and viscosity of oil based nanofluids, Applied Thermal Engineering, 101 (2016) 362-372.
[18] R. Shah, A correlation for laminar hydrodynamic entry length solutions for circular and noncircular ducts, Journal of Fluids Engineering (Transactions of the ASME) 100 (1978) 177-179.    .
[19] R.W. Hornbeck, Laminar flow in the entrance region of a pipe, Applied Scientific Research, Section A, 13(1) (1964) 224-232.
[20] R.K. Shah, A.L. London, Laminar flow forced convection in ducts: a source book for compact heat exchanger analytical data, Academic press, 2014.