بررسی عددی جریان چند لایه و انتقال حرارت نانوسیالات غیر نیوتنی در محیط متخلخل

Numerical investigation of laminar flow and heat transfer of non-Newtonian nanofluid within a porous medium

چکیده

1- مقدمه

2- معرفی مسئله

3- معادلات حاکم

3-1 خواص ترموفیزیکی

3-2 فرآیند حل

3-3 استقلال از شبکه

3-4اعتبارسنجی

4- نتایج و بحث

5- نتیجه‌گیری

چکیده

در این تحقیق، بررسی جامع جریان آرام و انتقال حرارت یک نانوسیال غیرنیوتنی شبه‌پلاستیک (Al2O3+CMC) در داخل ناحیه‌ی متخلخل دایره‌های هم‌مرکز ارائه شده است. اثر کسر حجمی نانوذرات، عدد رینولدز، عدد دارسی و نسبت ضخامت مورد بررسی قرار گرفته است. شبیه‌سازی‌ها برای اعداد رینولدز و اعداد دارسی در محدوده‌ی 100<Re<300 و 10-4<Da<10-2 انجام گرفته است. نتایج نشان می‌دهد که تأثیر لایه‌ی متخلخل نسبت به اعداد رینولدز در افزایش ضریب انتقال حرارت جابجایی بیشتر است؛ چون در یک کسر حجمی مشخص، محیط متخلخل در مقایسه با افزایش عدد رینولدز، نقش پر رنگ‌تری در افزایش انتقال حرارت دارد. همچنین برای یک کسر حجمی مشخص و برای یک تخلخل ثابت، کاهش نفوذپذیری منجر به افزایش عدد دارسی و پروفیل سرعت می‌شود. زمانی که ضخامت لایه‌ی متخلخل در یک مقدار ثابت تخلخل و نفوذپذیری افزایش یابد؛ سرعت نانوسیال در یک عدد رینولدز ثابت افزایش پیدا می‌کند؛ افزایش ضخامت لایه‌ی متخلخل سبب زیاد شدن ضریب انتقال حرارت می‌شود. علاوه بر این، در یک عدد رینولدز ثابت و ضخامت مشخص، با افزایش عدد دراسی، ضریب انتقال حرارت و عدد ناسلت بیشتر می‌گردد. همچنین اگر در مقادیر ثابت نفوذپذیری و تخلخل، ضخامت لایه‌ی متخلخل افزایش پیدا کند، سرعت نانوسیال بیشتر شده و موجب به حداکثر رسیدن افت فشار می‌گردد.

5- نتیجه‌گیری

در این تحقیق، یک مطالعه‌ی جامع بر روی جریان آرام و نرخ انتقال حرارت نانوسیال غیرنیوتنی شبه پلاستیک (Al2O3+CMC) در درون محیط متخلخل دایره‌ای انجام گرفت. شبیه‌سازی برای اعداد رینولدز و اعداد دارسی مختلف در محدوده‌ی 100<Re<300 و 10-4<Da<10-2 انجام شد. نتایج زیر از انجام شبیه‌سازی‌ها حاصل شده است: – در یک نفوذپذیری ثابت، قسمت زیادی از سیال به قسمت بدون تخلخل وارد می‌شود و همچنین در ناحیه‌ی دارای مقاومت کم، ضخامت لایه‌ی تخلخل بیشتر می‌شود. – در یک کسر حجمی مشخص برای یک تخلخل ثابت، کاهش نفوذپذیری منجر به افزایش سرعت دارسی و پرفیل سرعت می‌شود. وقتی که در یک نفوذپذیری و تخلخل ثابت، ضخامت لایه‌ی تخلخل بیشتر شود، سرعت نانوسیال افزایش پیدا می‌کند. – وقتی که ضخامت لایه‌ی تخلخل افزایش پیدا می‌کند، سهم ناحیه‌ی بدون تخلخل کم می‌شود و عدد ناسلت به‌طور ناگهانی زیاد می‌گردد. – در یک کسر حجمی مشخص، لایه‌ی محیط متخلخل در مقایسه با عدد رینولدز، نقش بیشتری در انتقال حرارت دارد. – در عدد ناسلت برای Kr=5 یک افزایش 91/1% در مقایسه با حالتی که مواد متخلخل وجود ندارد، به‌دست آمد.

Abstract

In this study, comprehensive study of laminar flow and heat transfer of pseudo-plastic non-Newtonian nanofluid (Al2O3 + CMC) within the porous circular concentric region is presented. The effect of volume fraction of nanoparticles, Reynolds number, Darcy number, thickness ratio is studied. Simulations for different Reynolds numbers and Darcy numbers in the range of 100 ≤ Re ≤ 300 and 10− 4 ≤ Da ≤ 10− 2 are done. The results show that the effect of the porous layer on increasing the convective heat transfer coefficient is larger than the Reynolds number, since, at a given volume fraction, the porous medium plays a greater role in increasing the heat transfer compared to the increasing Reynolds number. Also, at a given volume fraction and for a fixed porosity, decreases in the permeability leads to increased Darcy velocity and, consequently, velocity profile. As the thickness of the porous layer increases at fixed values of permeability and porosity, the velocity of the nanofluid is also increased in a constant Reynolds number, by increasing the thickness of the porous media, heat transfer coefficient increases. In addition, at a specified thickness and constant Reynolds number, by increasing the Darcy number, the heat transfer coefficient and the Nusselt number increases. Moreover, as the thickness of the porous layer increases at fixed values of permeability and porosity, the velocity of the nanofluid is also increased; this consequently maximizes the pressure drop.

5- Conclusion

In this paper, the comprehensive study of laminar flow and heat transfer of pseudo-plastic non-Newtonian nanofluid (Al2O3 + CMC) within the porous circular concentric is investigated. Simulations for different Reynolds numbers and Darcy numbers in the range of 100≤Re ≤300 and 10−4≤Da≤10−2 are done. The following results can be deduced from our simulation: • At a fixed permeability, a larger portion of the fluid is rejected to the clean region, i.e. the region of lower resistance, as the thickness of the porous layer increases • At a given volume fraction and for a fixed porosity, decreases in the permeability leads to increased Darcy velocity and, consequently, velocity profile. As the thickness of the porous layer increases at fixed values of permeability and porosity, the velocity of the nanofluid is also increased; • As the thickness of the porous layer increases, the occupied share of the clean region is gradually decreased and hence the Nusselt number is abruptly increased. • At a given volume fraction, the porous medium plays a greater role in increasing the heat transfer compared to the increasing Reynolds number. • An increase of 1.91% is achieved in the Nusselt number for Kr = 5 compared to the case where no porous material is present. The extension of this paper for nanofluid according our previous works [41–93] affords engineers a good option for micro and nano simulation.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

بررسی عددی جریان چند لایه و انتقال حرارت نانوسیالات غیر نیوتنی در محیط متخلخل

Numerical investigation of laminar flow and heat transfer of non-Newtonian nanofluid within a porous medium

تاثیر سرعت و ابعاد نانو ذرات جامد بر انتقال حرارت در نانوسیال غیر نیوتنی

The effect of velocity and dimension of solid nanoparticles on heat transfer in non-Newtonian nanofluid

چکیده

1- مقدمه

2- مدل ریاضی

2-1 بیان مسأله

3- معادلات حاکم

4- خواص و روش‌ها

5- بررسی استقلال از شبکه‌

6- تجزیه و تحلیل نتایج

6-1 اعتبار‌سنجی

7- نتیجه‌گیری

چکیده

در این تحقیق، رفتار هیدرودینامیکی نانوسیال‌های غیرنیوتنی و انتقال حرارت شبیه‌سازی شده است. در این مطالعه، به‌صورت عددی جریان آرام جابجایی اجباری نانوسیال غیرنیوتنی حاوی 5/0% وزنی محلول کربوکسی‌متیل‌سلولز (CMC) در آب به‌عنوان سیال پایه با آلومینا در کسر حجمی 5/0 و 5/1 به‌عنوان نانو‌ذرات جامد، شبیه‌سازی شده است. روش حل عددی در سیستم مختصات دکارتی در یک میکرو‌کانال دوبعدی مدل‌سازی شده و محدوده‌ی اعداد رینولدز بین 10 تا 1000 متغییر بوده است. هندسه‌ی مورد تحلیل شامل بخشی از یک مستطیل می‌باشد که دیوارهای بالا و پایین آن تحت تاثیر دمای ثابت قرار گرفته‌اند. اثر کسر حجمی نانوذرات، عدد رینولدز و نانوسیال‌های غیرنیوتنی مورد بررسی قرار گرفته است. در این تحقیق مشخص شده است که تغییرات افت فشار، عدد ناسلت، ضریب انتقال حرارت و دمای بدون بعد، به دلیل حرکت نانوسیال‌های غیرنیوتنی ایجاد شده است. نتایج نشان می‌دهد که افزایش کسر حجمی نانوذرات جامد و کاهش قطر نانوذرات موجب بهبود انتقال حرارت می‌شود که این مسئله در عدد رینولدز نمود بیشتری دارد. نتایج پارامترهای معرفی شده به‌صورت نمودار رسم شده و برای پارامترهای مختلف مقایسه شده است.

7- نتیجه‌گیری
در این پژوهش، جریان آرام سیال آب/ CMC- آلومینا برای نانوذرات جامد (آلومینا) حاوی کسر حجمی 5/0% و 5/1% که به حالت معلق در محلول غیرنیوتنی شامل 5/0% غلظت CMC وجود دارد، بررسی شده است. در این تحقیق از فرآیند دینامیک سیال محاسباتی استفاده شده و رفتار حرارتی سیال آرام غیرنیوتنی در یک مستطیل دوبعدی با استفاده از یک شبکه منتظم و الگوریتم سیمپل C با بهره‌گیری از گسسته‌سازی درجه دوم مورد بررسی قرار گرفته است. به منظور تعیین ویسکوزیته‌ی دقیق سیال از مدل قانون توانی برای سیالات غیرنیوتنی استفاده شده است. نتایج نشان داده است که افزایش کسر حجمی نانوسیال جامد منجر به بیشتر شدن انتقال حرارت، سرعت، عدد ناسلت و افت فشار شده است. علاوه بر این، حضور نانوذرات جامد تاثیر زیادی بر افزایش اعداد ذکر شده از قبیل رینولدز دارد که می‌تواند منجر به افزایش مکانیزم انتقال حرارت میکرونی و ترکیب بهتر جریان نانوسیال در اعداد رینولدز باشد. استفاده از نانوذرات جامد با قطر کوچک‌تر، تاثیر خوبی بر افزایش انتقال حرارت، کاهش افت فشار و تغییر مقادیر دمای بدون‌بعد در سطح مقطع‌های مختلف میکروکانال داشته است. گسترش این مقاله برای نانوسیال‌ها با توجه به کارهای قبلی ما [47-62]، مهندسین را برای شبیه‌سازی جریان آشفته در این هندسه ترغیب می‌کند.

Abstract

In this investigation, the behavior of non-Newtonian nanofluid hydrodynamic and heat transfer are simulated. In this study, we numerically simulated a laminar forced non-Newtonian nanofluid flow containing a 0.5 wt% carboxy methyl cellulose (CMC) solutionin water as the base fluid with alumina at volume fractions of 0.5 and 1.5 as the solid nanoparticle. Numerical solution was modelled in Cartesian coordinate system in a two-dimensional microchannel in Reynolds number range of 10≤Re≤1000. The analyzed geometrical space here was a rectangular part of whose upper and bottom walls was influenced by a constant temperature. The effect of volume fraction of the nanoparticles, Reynolds number and non-Newtonian nanofluids was studied. In this research, the changes pressure drop, the Nusselt number, dimensionless temperature and heat transfer coefficient, caused by the motion of non-Newtonian nanofluids are described. The results indicated that the increase of the volume fraction of the solid nanoparticles and a reduction in the diameter of the nanoparticles would improve heat transfer which is more significant in Reynolds number. The results of the introduced parameters in the form of graphs drawing and for different parameters are compared.

7- Conclusion

The laminar flow of the fluid water/CMC-alumina for volume fractions of 0.5% and 1.5% of solid nanoparticle (alumina) suspended in a non-Newtonian dissolution made of 0.5% concentration of CMC was studied. In this research, calculative fluid dynamics and laminar heat transfer behavior of the non-Newtonian fluid in rectangular twodimensional using an organized mesh and Simple C algorithm and second order discretization were all studied. To determine a more accurate viscosity of the fluid, the power-law was used to draw the nonNewtonian fluid. The results indicated that an increase in volume fraction of the solid nanofluid lead to an upward trend in heat transfer, rate, Nusselt number and pressure loss. Furthermore, the presence of solid nanoparticle had a great impact on the increase of the abovementioned especially Reynolds number which can be a result of boosting micronic heat transfer mechanisms and a better combination of nanofluid flow in higher Reynolds number. The use of solid nanoparticles with a smaller diameter had a good effect on the increase in heat transfer, decrease in pressure loss, and economized variation of dimensionless temperature in different sections of the microchannel. The extension of this paper for nanofluids according our previous works [47–62] affords engineers a good option for turbulent jet impingement simulation.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

تاثیر سرعت و ابعاد نانو ذرات جامد بر انتقال حرارت در نانوسیال غیر نیوتنی

The effect of velocity and dimension of solid nanoparticles on heat transfer in non-Newtonian nanofluid

بررسی تجربی کاهش پسا توسط یک افزودنی پلیمری در جریان دو فاز اسلاگ نفت خام و هوا در لوله های افقی

Experimental study of drag reduction by a polymeric additive in slug two-phase flow of crude oil and air in horizontal pipes

چکیده

1- مقدمه

2- تعریف کاهنده‌های نیروی درگ

3- عوامل کاهنده‌ی نیروی درگ

4- روش تجربی

5- نتایج و بحث

چکیده

در این مطالعه اثر حضور یک عامل کاهنده‌ی نیروی درگ (DRA) بر افت فشار در لوله‌های افقی کنونی که دارای جریان اسلاگ دوفازی هوا و نفت خام هستند، بررسی شده است. یک مجموعه‌ی آزمایشی نصب شده است که شامل: یک لوله‌ی صاف از پلی‌کربنات به طول 3/10 متر و قطر 54/2 سانتیمتر، یک لوله‌ی خمیده از آهن گالوانیزه به طول 8/8 متر و قطر خارجی 54/2 سانتی‌متر و قطر داخلی 27/1 سانتیمتر، می‌باشد؛ DRA استفاده شده یک پولی‌آلفا‌اولفین (پولی‌ایزوبوتیلن) است. درصد کاهندگی نیروی درگ (%DR) با استفاده از داده‌های تجربی بدست آمده در حضور DRA محاسبه می‌شود. نتایج نشان می‌دهد که اضافه کردن DRA می‌تواند تا برخی از دوزهای DRA موثر باشد و پس از آن افت فشار ثابت نگه داشته می‌شود. یک %DR حدود 40 برای برخی شرایط آزمایشگاهی به‌دست می‌آید.

5- نتایج و بحث

در شکل‌های 3 تا 5 درصد کاهنده‌های نیروی درگ در مقایسه با غلظت پلیمر در لوله‌های مختلف برای رژیم جریان اسلاگ رسم شده است. مشاهده می‌شود که با اضافه کردن یک غلظت کم پلیمر، می‌توان یک افت فشار کاهش یافته در واحد طول در شرایط مشابه جریان پیدا کرد. همچنین درصد کاهندگی نیروی درگ با افزایش غلظت پلیمر زیاد می‌شود، اما یک غلظت بحرانی بالاتر از آن که بیشتر وجود ندارد، می‌تواند به‌دست آید. لازم به ذکر است که یک مقدار بهینه‌ی پولی‌ایزوبوتیلن در نفت خام با غلظت 18 پی‌پی‌ام به‌دست می‌آید که مستقل از نوع یا قطر لوله برای این سیستم است. در شکل 6 درصد کاهندگی نیروی درگ در مقایسه با غلظت پلیمر برای لوله‌های صاف و خمیده‌ی یک اینچی در همان شرایط جریان نشان داده شده است. مشاهده شده است که در لوله‌های خمیده کاهندگی نیروی درگ بیش از لوله‌های صاف است. دلیل این پدیده این است که DRAهای استفاده شده تنها در جریان متلاطم موثرند و اثرات آنها به واسطه‌ی درجه‌ی آشفتگی افزایش می‌یابد. از این‌رو که زبری لوله باعث افزایش آشفتگی جریان می‌شود، کاهندگی نیروی درگ در این مورد بیشتر است.

Abstract

In this study the effect of the presence of a drag reducing agent (DRA) on the pressure drop in cocurrent horizontal pipes carrying slug twophase flow of air and crude oil is investigated. An experimental set-up is erected. The test section of the experimental set-up is consisted of: a smooth pipe of polycarbonate with 10.3 m long and 2.54 cm ID, a rough pipe of galvanized iron with 8.8 m long and 2.54 cm ID and a rough pipe of galvanized iron with 8.8 m long and 1.27 cm ID. The employing DRA is a Polyalpha-olefin (Polyisobutylene). The percent drag reduction (%DR) is calculated using the obtained experimental data, in presence of the DRA. The results show that addition of DRA could be effective up to some doses of DRA after which the pressure drop is kept constant. A %DR of about 40 is obtained for some experimental conditions.

5- Results and discussion

In Figs. 3–5 the percent drag reduction is plotted versus polymer concentration in different pipes for slug flow regime. It is observed that, by adding of a low concentration of the polymer, one can find a reduced pressure drop per unit length at the same flow conditions. Also the percent of drag reduction increases with increasing of the polymer concentration, but there is a critical concentration above which no more reduction can be obtained. It should be mentioned that, the optimum concentration of polyisobutylene in crude oil is 18 ppm, independent of the type or diameter of the pipe for this system. In Fig. 6 the percent drag reduction is plotted versus polymer concentration for 1 smooth and rough pipes at the same flow conditions. It is observed that in rough pipe the drag reduction is more than smooth pipe. The reason for this phenomenon is that as it is known the DRAs are effective only in turbulent flow and their effects are enhanced by the degree of turbulency. So since the roughness of the pipe increases the turbulency of the flow, the drag reduction is more pronounced for this case.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

بررسی تجربی کاهش پسا توسط یک افزودنی پلیمری در جریان دو فاز اسلاگ نفت خام و هوا در لوله های افقی

Experimental study of drag reduction by a polymeric additive in slug two-phase flow of crude oil and air in horizontal pipes