31037

تحليل جريان و انتقال حرارت جابجايي مختلط آشفته نانوسيال هيبريد در كانال با حضور نانو¬ذرات ماده تغيير فاز دهنده كپسوله شده

دكتري

مهندسي مكانيك

1397

1403/03/01

دكتر فرزاد بازديدي طهراني

-

مهندسي مكانيك

در رساله حاضر، جريان و انتقال حرارت جابجايي مختلط آشفته سه گروه نانوسيال شامل نانوسيال با نانوذرات اكسيد فلزي، نانوسيال با نانوذرات ماده تغيير فاز دهنده كپسوله شده و نانوسيال هيبريد شامل نانو¬ذرات اكسيد فلزي و ماده تغيير فاز دهنده كپسوله شده در يك كانال عمودي بررسي شده است. با توجه به مبحث بهبود انتقال حرارت، ذخيره¬ و بهره¬وري از آن در كاربردهايي مانند دخيره انرژي زمين گرمايي، كلكتورهاي خورشيدي و تبادل¬گرهاي حرارت استفاده از نانوسيال هيبريد شامل نانو¬ذرات ماده تغيير فاز دهنده كپسوله شده به همراه نانو¬ذرات اكسيد فلزي داراي اهميت است. به جريان نانوسيال هم از منظر يك سيال تك فاز با در نظر گرفتن خواص ترموفيزيكي متغير و هم از منظر يك سوسپانسيون دو فاز با افزودن نانوذرات به جريان سيال توجه شده است. معادلات بقاء به كمك روش حجم محدود گسسته‌سازي و حل شده‌اند. در بخش اول، براي تحليل جريان و انتقال حرارت از رهيافت معادلات متوسط¬گيري شده ناوير استوكس (مدل انتقال تنش برشي) استفاده شده است. اثرات پارامترهايي چون كسر حجمي نانوذرات و عدد رينولدز بر عدد ناسلت متوسط، فاكتور اصطكاك و توليد آنتروپي حرارتي، اصطكاكي و كلي بررسي شده است. به اين دليل كه رهيافت معادلات متوسط¬گيري شده ناوير استوكس قادر به پيش¬بيني نوسانات سرعت و دماي جريان آشفته نيست و كاربرد آن براي جريان وابسته به زمان منجر به اطلاعات كافي در مورد جزئيات جريان نمي¬شود. لذا در بخش دوم از رهيافت شبيه¬سازي گردابه¬هاي بزرگ استفاده شده است. كميت¬هاي آماري آشفته شامل سرعت و دماي متوسط بدون بعد، نوسانات سرعت و دما، تنش برشي رينولدز و شار حرارت آشفته با استفاده از رهيافت مذكور تخمين زده شده است. مدل دو فاز اويلرين-لاگرانژين در مقايسه با مدل تك فاز عدد ناسلت متوسط و فاكتور اصطكاك بيشتري را پيش¬بيني مي¬كند و نتايج مدل دو فاز به نتايج تجربي نزديك¬تر است. نانوسيال هيبريد شامل نانوذرات ماده تغيير فاز دهنده كپسوله شده عملكرد حرارتي و هيدروديناميكي بهتري در مقايسه با ساير نانوسيالات دارد. نانوسيال 5% ان اكتادكان موجب بهبود انتقال حرارت به ميزان 2/37% مي¬شود در حالي كه نانوسيال هيبريد (1% اكسيد مس و 5% ان اكتادكان) تقريباً به اندازه 60% موجب بهبود انتقال حرارت مي¬گردد. با افزايش كسر حجمي، فاكتور اصطكاك به مقدار اندكي در مقايسه با آب خالص افزايش مي¬يابد. افزايش فاكتور اصطكاك براي نانوسيال 5% ان اكتادكان و نانوسيال هيبريد (1% اكسيد مس و 5% ان اكتادكان) به ترتيب برابر با 5/2% و 7/1% است. به دليل غالب بودن توليد آنتروپي حرارتي، با افزايش عدد رينولدز و كسر حجمي توليد آنتروپي كلي كاهش مي¬يابد. نتايج حاضر نشان مي¬دهد كه با افزودن نانوذرات به آب خالص سرعت متوسط بدون بعد در جهت جريان، نوسانات سرعت و دما، تنش برشي رينولدز و شار حرارت آشفته افزايش پيدا مي¬كند. نتايح مبين اين نكته است كه نانوسيال هيبريد شامل نانوذرات اكسيد مس و نانوذرات تغيير فاز دهنده كپسوله شده به دليل برخوردار بودن همزمان ضريب هدايت حرارتي و ظرفيت گرماي ويژه بيشتر عملكرد حرارتي بهتري از نانوسيال شامل فقط نانوذرات تغيير فاز دهنده كپسوله شده و آب خالص دارد. لذا نانوسيال هيبريد با نانوذرات ماده تغيير فاز دهنده كپسوله شده انتخاب مناسبي در كاربردهاي دخيره انرژي حرارتي و انتقال حرارت مي¬باشد.

1403/04/20

Analysis of Turbulent Flow and Mixed Convection of Hybrid Nanofluid in a Channel with NEPCMs

1/1/1900 12:00:00 AM

In the present thesis, flow and turbulent mixed convection of three kinds of nanofluids, namely, nanofluid with metal oxide nanoparticles, nanofluid with nano-encapsulated phase change material and hybrid nanofluid consisting of metal oxide nanoparticles and nano-encapsulated phase change material in a vertical channel have been investigated. Considering the topic of improving heat transfer, storage and efficiency in applications such as geothermal energy storage, solar collectors and heat exchangers, the use of hybrid nanofluid with nano-encapsulated phase change material particles along with metal oxide nanoparticles is important. Nanofluid flow has been modeled by single phase model with variable thermo-physical properties and two phase model with adding nanoparticles. Conservation equations have been discretized and solved using the finite volume method. In the first part, the Reynolds-averaged Navier Stokes equations approach (shear stress transport model) is applied to simulate the turbulent flow. Effects of parameters such as volume fraction of nanoparticles and Reynolds number on the average Nusselt number, skin friction factor and thermal, frictional and total entropy generation have been investigated. This is because the Reynolds-averaged Navier Stokes equations approach is not capable of predicting the velocity and temperature fluctuations of turbulent flow and its application to the time dependent flow does not lead to sufficient information about flow details. Therefore, in the second part, the Large Eddy Simulation approach has been employed. The turbulence statistics quantities including normalized mean velocity and temperature, root mean squared of velocity and temperature fluctuations, Reynolds shear stress, and turbulent heat flux are estimated using the Large Eddy Simulation approach. The Eulerian-Lagrangian two phase model predicts higher average Nusselt number and friction factor than the single phase model and results of two phase model are closer to the available experimental data. It is found that a new hybrid nanofluid with dispersed nano-encapsulated phase change material particles provides better thermal and hydrodynamic performances compared to the other kinds of nanofluids. Slurry containing 5% n-octadecane provides an improvement of nearly 37.2%, while hybrid nanofluid (1% CuO + 5% n-octadecane) offers added convective heat transfer enhancement of almost 60%. With increasing volume fraction, skin friction factor becomes slightly larger than that of pure water. For 5% n-octadecane/water and 1% CuO + 5% n-octadecane/water nanofluids, skin friction factor increases by 2.5 and 1.7%, respectively. Due to the dominance of thermal entropy generation, total entropy generation reduces by increasing Reynolds number and volume fraction. Present results show that addition of nanoparticles into pure water increases normalized mean stream-wise velocity, fluctuations of velocity and temperature, Reynolds shear stress, and turbulent heat flux. The results indicate that the hybrid nanofluid containing CuO and NEPCM nanoparticles, due to having higher thermal conductivity and specific heat capacity at the same time, shows a better thermal performance than the nanofluid containing only NEPCM nanoparticles and pure water. This makes the hybrid nanofluid in the presence of NEPCM particles to be a possible choice in the cooling process applications.

نانو¬ماده تغيير فاز دهنده كپسوله شده , جابجايي مختلط , مدل¬هاي تك فاز و دو فاز , نانوسيال هيبريد , رهيافت معادلات متوسط¬گيري شده ناوير استوكس , رهيافت شبيه¬سازي گردابه¬هاي بزرگ

Nano-encapsulated phase change material , mixed convection , Single phase and two-phase models , Hybrid nanofluid , Reynolds-averaged Navier Stokes equations approach , Large eddy simulation approach

Roghayeh Azimi-Souran

Dr. Farzad Bazdidi-Tehrani