شبيه‌سازي عددي جريان نانوسيال در يك كانال حلقوي با موانع متخلخل با استفاده از تركيب مدل دارسي- برينكمن- فرچهيمر و مدل مخلوط دوفازي

Numerical simulation of nanofluid flow in an annulus with porous baffles based on combination of Darcy-Brinkman-Forchheimer model and two-phase mixture model

در اين مقاله، انتقال حرارت جريان جابه‌جايي اجباري نانوسيال در يك كانال حلقوي با موانع متخلخل بر روي ديواره‌هاي داخلي و خارجي به صورت عددي مورد مطالعه قرار گرفته است. نانوسيال با استفاده از مدل مخلوط دوفازي و جريان در ناحيه متخلخل بوسيله مدل دارسي-برينكمن-فرچهيمر شبيه‌سازي شده است. جريان سيال به صورت آرام، پايا، متقارن محوري و تراكم‌ناپذير فرض مي‌شود. همچنين، محيط متخلخل، يكنواخت و همگن بوده و خواص فيزيكي نانوسيال و محيط متخلخل ثابت فرض مي‌شود. معادلات حاكم با استفاده از روش حجم محدود و الگوريتم سيمپل حل شده‌اند. اثر پارامترهايي نظير عدد دارسي، ارتفاع مانع متخلخل، نسبت هدايت حرارتي ناحيه متخلخل به سيال و كسرحجمي نانوذرات و نوع آنها بر روي ميدان جريان، انتقال حرارت و افت فشار بررسي شده است. نتايج نشان مي‌دهد كه استفاده از موانع متخلخل در مسير جريان منجر به تغييرات قابل ملاحظه‌اي در مشخصه‌ها‌ي جريان و انتقال حرارت مي‌شود. كاهش اعداد دارسي و رينولدز منجر به ايجاد گردابه در پشت موانع مي‌شود كه اين گردابه‌ها تأثير بسزايي بر روي انتقال حرارت دارند. با كاهش عدد دارسي، انتقال حرارت به ميزان قابل‌توجهي افزايش مي‌يابد. اين امر همچنين افت فشار شديدي را در جريان ايجاد خواهد كرد. افزايش نسبت هدايت حرارتي ماتريس جامد به سيال باعث افزايش عدد ناسلت محلي ديواره در اطراف موانع خواهد شد كه اين افزايش در نفوذپذيري‌هاي بالا، بيشتر است. با افزايش ارتفاع موانع متخلخل، ضخامت لايه مرزي كاهش پيدا مي‌كند و انتقال حرارت جابه‌جايي افزايش مي‌يابد.

In this paper, forced convection heat transfer of a nanofluid in an annulus with porous baffles on the inner and outer walls is investigated numerically. The nanofluid is simulated based on the two-phase mixture model while the flow in the porous region is described by the Darcy-Brinkman-Forchheimer model. The fluid flow is considered laminar, steady, axisymmetric, and incompressible. The governing equations have been solved using the finite volume method. The effect of parameters such as the Darcy number, the height of the porous baffles, the thermal conductivity ratio, and the volume fraction, and the type of the nanoparticles on the flow field, heat transfer, and pressure drop have been investigated. The results show that the use of the porous baffles in the flow path leads to significant variations in the characteristics of the flow and heat transfer. Reducing the Darcy and Reynolds numbers leads to the formation of vortices behind the baffles that has a significant impact on the heat transfer. By decreasing the Darcy number, the heat transfer increases substantially. This also causes a severe pressure drop in the flow. Increasing the thermal conductivity ratio raises the local Nusslet number at the wall near the baffles, which is more remarkable in higher values of permeability. Increasing the height of the porous baffles reduces the thickness of the boundary layer and enhances heat transfer.