تحليل تك فاز و دو فاز جابجايي مختلط نانو سيال در كانال قايم مستطيلي تحت شرايط مرزي گرمايي نامتقارن

Single Phase and Two Phase Analysis of Mixed Convection of Nanofluid Flow in Vertical Rectangular Duct under an Asymmetric Thermal Boundary Condition

در مقاله حاضر به مدل‌سازي عددي جريان آرام توام با جابجايي مختلط نانو سيال آب-اكسيد تيتانيوم در كانال قايم مستطيلي پرداخته شده است. بدين منظور از دو ديدگاه تك فاز و دو فاز استفاده شده است. در بخش دو فاز روش اويلر-لاگرانژ براي شبيه‌سازي پخش ذرات در سيال پايه به كار رفته است. اين روش به گونه ايست كه در آن سيال پايه به صورت فاز پيوسته و نانو ذرات به صورت فاز گسسته معلق در آن مدل مي‌شوند، به طوري كه اثر ذرات بر سيال پايه به صورت ترم چشمه در معادلات مومنتوم و انرژي لحاظ مي‌شود. معادلات حاكم به روش حجم كنترل بر پايه المان محدود (CVFEM) گسسته سازي شده‌اند. اثر درصد حجمي و اندازه نانو ذرات، نسبت منظري سطح مقطع كانال، شرايط مرزي نامتقارن و اثر نيروي شناوري بر پارامترهاي هيدروديناميكي و حرارتي ارايه و مورد بحث قرار گرفت. در مقايسه بين مدل تك فاز و دو فاز مشخص شده است كه مدل دو فاز نتايج دقيقتري را نسبت به مدل تك فاز در اختيار مي گذارد. مشاهده مي‌شود كه افزايش درصد حجمي نانو ذرات، باعث بهبود ضريب انتقال حرارت مي‌شود و اين اثر در نسبت‌هاي منظري بالاتر، پررنگ تر است. همچنين در عدد ريچاردسون پايين تر كه اثر جابجايي اجباري بيشتر از جابجايي آزاد است، پخش نانو ذرات آب-اكسيد تيتانيوم در سيال پايه به نحوي است كه بهبود انتقال حرارت بيشتر خواهد بود. در حالي كه بهبود انتقال حرارت جابجايي براي %1 درصد حجمي نانو ذرات و در حدود %5/6 مي باشد، براي به %4 هم نمي رسد.

In the present paper, mixed convection of TiO2-water nanofluid in a laminar flow within a vertical rectangular duct is investigated numerically. A single phase and a two phase method is applied to simulate nanoparticles dispersion in the base fluid. An Euler-Lagrange approach is employed to track particles individually. In this approach, the base fluid is assumed to be a continuous phase while the particles are dispersed through it. The presence of particles in the base fluid is modeled as a source term in the momentum and energy equations. Governing equations are discretized using Control Volume based Finite Element Method (CVFEM). Effects of nanoparticles concentration, particles size, aspect ratio of cross section, asymmetrical boundary condition and buoyancy on the hydrodynamics and thermal parameters are presented and discussed. It is observed that increasing nanoparticles concentration enhances heat transfer rate and this enhancement is more considerable in higher aspect ratios. Also, at smaller values of Richardson number ( ) where the effect of forced convection is more than natural convection, dispersion of nanoparticles in the base fluid improves heat transfer rate more considerably. Whilst an improvement in convective heat transfer is shown to be more than 6.5% at , it does not exceed 4% at .