Nghiên cứu phân tích và số học về đối lưu do trọng lực trong một khoang thẳng đứng chứa nanofluids

Heat and Mass Transfer - Tập 48 - Trang 627-639 - 2011
Z. Alloui1, P. Vasseur1, M. Reggio1
1Ecole Polytechnique, Montréal, Canada

Tóm tắt

Bài báo này trình bày một nghiên cứu phân tích và số học về đối lưu tự nhiên của nanofluids trong một khoang hình chữ nhật chịu tác động của bức xạ nhiệt đồng đều ở các cạnh thẳng đứng. Các tham số chính của vấn đề nghiên cứu là số Rayleigh nhiệt Ra, số Prandtl Pr, tỉ lệ hình dạng của khoang A và phân khối lượng rắn của các hạt nano, Φ. Ba loại hạt nano được xem xét là: Cu, Al2O3 và TiO2. Nhiều mô hình khác nhau được sử dụng để tính toán độ nhớt hiệu quả và độ dẫn nhiệt của nanofluids. Trong phần đầu tiên của nghiên cứu phân tích, một phân tích quy mô được thực hiện cho tình huống chế độ lớp biên. Trong phần thứ hai, một nghiệm phân tích dựa trên gần đúng dòng chảy song song được báo cáo cho những khoang cao (A ≫ 1). Trong chế độ lớp biên, sự đồng thuận tốt được thu được giữa các dự đoán của phân tích quy mô và các nghiệm phân tích. Các nghiệm cho trường dòng, phân bố nhiệt độ và số Nusselt được đạt được rõ ràng theo các tham số điều khiển của vấn đề. Một nghiên cứu số học về hiện tượng tương tự, được thu được bằng cách giải hệ phương trình điều khiển hoàn chỉnh, cũng được thực hiện. Sự đồng thuận tốt giữa các dự đoán phân tích và các mô phỏng số học được tìm thấy.

Từ khóa

#đối lưu tự nhiên #nanofluids #nghiên cứu số học #phân tích quy mô #số Rayleigh nhiệt #số Prandtl #tỉ lệ hình dạng khoang #hạt nano

Tài liệu tham khảo

Bejan A (1995) Convection heat transfer. Wiley, New York Choi SUS (1995) Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles. ASME Fluids Eng Div Publ FED 231:99–105 Eastman JA, Choi SUS, Li S, Yu W, Thompson LJ (2001) Anomalous increased effective thermal conductivities of ethylene glycol-based nanofluids containing copper nanoparticles. Appl Phys Lett 78:718–720 Jana S, Salehi-Khojin A, Zhong WH (2007) Enhancement of fluid thermal conductivity by the addition of single and hybrid nano-additives. Thermochim Acta 462:45–55 Trisakri V, Wongwises W (2007) Critical review of heat transfer characteristics of nanofluids. Renew Sustain Energy Rev 11:512–523 Daungthongsuk W, Wongwises W (2007) A critical review of heat transfer nanofluids. Renew Sustain Energy Rev 11:797–817 Khanafer K, Vafai K, Lightstone M (2003) Buoyancy-driven heat transfer enhancement in a two-dimensional enclosure utilizing nanofluids. Int J Heat Mass Transf 46:3639–3653 Jou RY, Tzeng SC (2006) Numerical research of nature convective heat transfer enhancement filled with nanofluids in rectangular enclosures. Int Commun Heat Mass Transf 33:727–736 Agwu Nnanna AG (2007) Experimental model of temperature-driven nanofluid. J. Heat Transf 129:697–704 Ho CJ, Chen MW, Li ZW (2008) Numerical simulation of natural convection of nanofluid in a square enclosure: Effects due to uncertainties of viscosity and thermal conductivity. Int J Heat Mass Transf 51:4506–4516 Santra AK, Sen S, Chakraborty N (2008) Study of heat transfer augmentation in a differentially heated square cavity cavity using copper-water nanofluid. Int J Therm Sci 47:1113–1122 Abu-Nada E, Masoud Z, Oztop HF, Campo A (2010) Effect of nanofluid variable properties on natural convection in enclosures. Int J Therm Sci 49:479–491 Oztop HF, Abu-Nada E (2008) Numerical study of natural convection in partially heated rectangular enclosures filled with nanofluids. Int J Heat Fluid Flow 29:1326–1336 Ghasemi B, Aminossadati SM (2010) Periodic natural convection in a nanofluid-filled enclosure with oscillating heat flux. Int J Therm Sci 49:1–9 Aminossadati SM, Ghasemi B (2009) Natural convection cooling of a localised heat source at the bottom of a nanofluid-filled enclosure. Eur J Mech B/Fluids 28:630–640 Ghasemi B, Aminossadati SM (2009) Natural convection heat transfer in an inclined enclosure filled with water-CuO nanofluid. Numer Heat Transf Part A 55:807–823 Ogut EB (2009) Natural convection of water-based nanofluids in an inclined enclosure with a heat source. Int J Therm Sci 48:2063–2073 Jang SP, Choi SUS (2004) Free convection in a rectangular cavity (Benard convection) with nanofluids. In: Proceedings IMECEO, ASME, Anaheim California US, pp 147–153 Hwang KS, Lee JH, Jang SP (2007) Buoyancy-driven heat transfer of water-based Al2O3 nanofluids in a rectangular cavity. Int J Heat Mass Transf 50:4003–4010 Putra N, Roetzel W, Das SK (2003) Natural convection in nanofluids. Heat Mass Transf 39:775–784 Abouali O, Falahatpisheh A (2009) Numerical investigation of natural convection of Al2O3 nanofluid in vertical annuli. Heat Mass Transf 46:15–23 Abu-Nada E, Masoud Z, Hijazi A (2008) Natural convection heat transfer enhancement in horizontal concentric annuli using nanofluids. Int Commun Heat Mass Transf 35:657–665 Abu-Nada E (2009) Effects of variable viscosity and thermal conductivity of Al2O3-water nanofluid on heat transfer enhancement in natural convection. Int J Heat Fluid Flow 30:679–690 Bennacer R, El Ganaoui M, Maré T, Nguyen CT (2009) Natural convection of nanofluids in a cavity including the Soret effect. Int J Comput Therm Sci 1:425–440 Pakravan HA, Yaghoubi M (2011) Combined Thermophoresis, Brownian motion and Dufour effects on natural convection of nanofluids. Int J Therm Sci 50:394–402 Lai FH, Yang YT (2011) Lattice Boltzmann simulation of natural convection heat transfer of Al2O3/water nanofluids in a square enclosure. Int J Therm Sci 50:1930–1941 Yu ZT, Wang W, Xu X, Fan LW, Hu YC, Cen KF (2011) A numerical investigation of transient natural convection heat transfer of aqueous nanofluids in a differentially heated square cavity. Int Commun Heat Mass Transf 38:585–589 Sourtiji E, Hosseinizadeh SF, Gorji-Banddpy M, Ganji DD (2011) Effect of water-based Al2O3/water nanofluids on heat transfer and pressure drop in periodic mixed convection inside a square ventilated cavity. Int Commun Heat Mass Transf. doi:10.1016/j.icheatmasstransfer.2011.05.009 Brinkman HC (1952) The viscosity of concentrated suspensions and solution. J Chem Phys 20:571–581 Maiga SEB, Nguyen CT, Galanis N, Roy G (2004) Heat transfer enhancement in forced convection laminar tube flow by using nanofluids. Proc Int Symp Adv Comput Heat Transf III 24:19–24 Pak BC, Cho Y (1998) Hydrodynamic and heat transfer study of dispersed fluids with submicron metallic oxide particle. Exp Heat Transf 11:151–170 Maxwell J (1904) A treatise on electricity and magnetism, 2nd edn. Oxford University Press, Cambridge Yu W, Choi SUS (2003) The role of interfacial layers in the enhanced thermal conductivity of nanofluids: a removed Maxwell model. J Nanopart Res 5:167–171 Patankar S (1980) Numerical heat transfer and fluid flow. Hemisphere, Washington Wan DC, Patnaik BSV, Wei GW (2001) A new benchmark quality solution for the buoyancy-driven cavity by discrete singular convolution. Numer Heat Transf Part B 40:199–228 Vasseur P, Wang CH, Sen M (1987) Unicellular convective motion in an inclined fluid layer with uniform heat flux. Bifurcation Phenomena in Thermal Processes and Convection. ASME Winter Annual Meeting, Boston, MA, USA, HTD vol 94/AMD-vol 89 (1987): 183–195 Mamou M, Vasseur P, Bilgen E (1966) Analytical and numerical study of double diffusive convection in a vertical enclosure. Heat Mass Transf 32:115–125 Bejan A (1983) The boundary layer regime in a porous layer with uniform heat flux from side. Int Heat Mass Transf 26:1339–1346 Wen D, Din Y (2006) Natural convective heat transfer of suspensions of titanium dioxide nanoparticles (nanofluids). IEE Trans Nanotechnol 5:220–227