بررسي عددي انتقال حرارت و توليد آنتروپي جريان سيال آب/Al2O3 در يك حفره بسته با دو چيدمان مختلف 4 مانع دايروي به روش هيبريد FD-LBM

The Numerical Investigation of Heat Transfer Rate and Entropy Generation of Al2O3/Water Nanofluid Flow in a Closed Cavity Containing 4 Circular Cylinders with Two Different Arrangements Using a Hybrid FD-LBM Technique

در اين پژوهش، جريان، انتقال حرارت و توليد آنتروپي نانوسيال آب/Al2O3 در يك حفره بسته با حضور 4 مانع دايروي با دو چيدمان مختلف در هندسه شبيه‌سازي شده است. تكنيك به‌كاررفته براي شبيه‌سازي جريان نانوسيال براساس روش مشهور نانوسيال تك‌فاز غيرهمگن (مدل بونگيورنو) مي‌باشد كه در اين روش اصولاً نرخ نفوذ در معادله غلظت نانوسيال ضعيف مي‌باشد و مي‌تواند در همگرايي حل تأثير منفي داشته باشد. از همين رو به‌منظور غلبه بر اين نقيصه، نرم‌افزار مورداستفاده در اين شبيه‌سازي فرترن 90 انتخاب گرديد و كد موردنظر با استفاده از يك روش جديد FD-LBM با قابليت TVD نوشته شد كه با استفاده از اين الگوريتم امكان شبيه‌سازي عددي جريان‌هاي سيالات با نرخ نفوذ پايين نسبت به نرخ همرفت بالاتر فراهم مي‌شود. پارامترهاي فعال در اين پژوهش عدد ريلي، لويس و درصد حجمي نانوذرات اكسيد آلومينيم هستند كه تأثير آنها بر عدد ناسلت، عدد شروود و نرخ آنتروپي توليدشده در هندسه حل، با دو چيدمان مختلف موانع بررسي مي‌گردد. براساس نتايج اين مدلسازي تابع جريان و به تبع آن سرعت سيال در چيدمان لوزي به‌مراتب بيشتر از چيدمان مربعي مي‌باشد. همچنين مشخص شد كه با افزايش نانوذرات نه‌تنها نرخ انتقال حرارت از ديواره افزايش نمي‌يابد بلكه در % 9 = φ مقدار ناسلت نزديك به 15 درصد كاهش مي‌يابد.

In this study, the flow patterns, heat transfer rate and entropy generation rate of Al2O3/Water nanofluid was simulated in a closed cavity containing 4 circular cylinders with 2 different arrangements. The renowned single-phase nonhomogeneous technique (Buongiorno Model) was chosen to assess the nanofluid flow and heat transfer rate numerically. However, the diffusion term in the concentration equation of the technique usually possesses a relatively low value, which might cause instability issues during the iteration process. Hence, in order to deal with this problem, an in-house Fortran 90 code was developed using a novel hybrid FD-LBM method with TVD characteristics. The mentioned algorithm has been proved to be a great asset when facing flows with lower rate of diffusion compared to convection. The active parameters in this study were Ra, Le, and Al2O3 nanoparticle volume fractions, and their influence on the Nu and Sh numbers as well as the entropy generation rate of the system were investigated in the cavity for both cylinder arrangements. According to the results of this simulation, the stream function and consequently the flow velocity in the diamond arrangement were much higher compared to the square arrangement. Moreover, it was observed that not only the addition of nanoparticles could not raise the heat transfer rate from the wall, but in φ = 9 %, the Nusselt number experienced an approximate 15 % decrement.