Bölmeli bir kare kapalı ortam içindeki nanoakışkanın doğal konveksiyonla ısı transferinin sayısal olarak incelenmesi

Yıl 2012, Cilt: 28 Sayı: 5, 359 - 366, 01.10.2012

Engin Akçaoğlu Müslüm Arıcı Elif Büyük Öğüt

Öz

Bu çalışmada bölmeli kare kapalı bir ortam içindeki su bazlı nanoakışkanların daimi, laminer doğal konveksiyon akışı sayısal olarak incelenmiştir. Kare kapalı bölge, merkezinde çok ince sıcak bir bölme ile ayrılmıştır. Kapalı ortamın yan duvarları eş sıcaklıkta olup, alt ve üst duvarları yalıtılmıştır. Çalışmada Rayleigh sayısının, nanoakışkanların hacimsel fraksiyonun (?), nanopartikül tipinin ve bölme yüksekliğinin akış üzerindeki etkileri incelenmiştir. Çalışmada Rayleigh sayısı 103-105 aralığında alınmış, nanopartikül olarak Cu ve Al2O3 seçilmiş, katı partiküllerin hacim fraksiyonunun 0???0.15 aralığındaki değerleri göz önüne alınmıştır. Bölme uzunluğu 0.3 ila 0.8 aralığında değiştirilerek akış üzerindeki etkisi incelenmiştir. Yapılan incelemeler sonucunda yukarıda bahsedilen parametrelerin akış ve ısı transferi üzerinde önemli etkilere sahip olduğu görülmüştür. Küçük Rayleigh değerlerinde ısı transferi iletimle gerçekleşmektedir. Rayleigh sayısının artmasıyla sirkülasyon şiddetlenerek doğal konveksiyon hakim olmakta, sıcaklık değişimi sıcak bölme civarındaki bölgelerde giderek azalmaktadır. Artan bölme yüksekliğiyle ısıdan etkilenen bölgenin genişlediği görülmektedir. Nanopartiküllerin hacimsel fraksiyonunun artmasıyla ısı transferinde %70’lere varan önemli artışlar söz konusu olmaktadır.

Anahtar Kelimeler

Doğal konveksiyon, nanoakışkan, bölmeli kare kapalı bölge, FLUENT

Numerical investigation of natural convection heat transfer of nanofluids ın a square enclosure

Öz

In this work, a steady, laminar natural convection of water-based nanofluids in a square enclosure is studied numerically. Computations are carried out for various values of Rayleigh numbers, solid volume fractions, nanoparticles and partition heights. Results show that these parameters have a significant effect on the flow and heat transfer. Heat transfer occurs by conduction for the low Rayleigh numbers. As Rayleigh number increases, the natural convection prevails thus the temperature variation around the partition decreases. The heat affected region becomes larger as the partition height increases. It is also shown that up to 70% of heat transfer enhancement can be achieved with increasing solid volume fraction of nanoparticles.

Anahtar Kelimeler

Natural convection, nanofluid, partition square enclosure, FLUENT

Kaynakça

• Abu-Nada, E., Rayleigh-Benard convection in nanofluids: Effect of temperature dependent properties, International 13. Kahveci, K., Natural convection in a partitioned vertical Journal of Thermal Sciences, 50, 1720-1730, 2011.
• Anilumar, S.H. and Kuzhiveli B.T., Numerical Study of Natural Convective Heat Transfer in a Two-imensional 14. Kahveci, K. A differential quadrature solution of natural Cavity With Centrally Located Partition Utilizing Nanofluids , Transactions of the ASME, Vol. 1 / 031004-1-7
• Bellman, R.E., Kashef B.G. and Casti, J., Differential Quadrature: a Technique for the Rapid Solution of Nonlinear 15. Keblinski, P., Phillpot, S.R., Choi, S.U.S. and Eastman, Partial Differential Equations, J. Comput. Phys., 10, 40-52, Brinkman, H.C., The Viscosity of Concentrated Suspensions and Solutions, J. Chem. Phys., 20, 571–581, 1952.
• Choi, S.U.S. Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles, Develop. Appl. Non Newtonian Flows, 99– , 1995.
• Das, S.K., Putra, N. Thiesen, P. Roetzel, W., Temperature 17. Lee, S., Choi, S.U.S., Li, S., Eastman, J.A., Measuring dependence of thermal conductivity enhancement for nanofluids, ASME J. Heat Transfer 125, 567–574, 2003.
• Jou, R.Y. and Tzeng, S.C., Numerical Research of Nature Convective Heat Transfer Enhancement Filled with Nanofluids in Rectangular Enclosures, Int. Commun. Heat Mass Transfer, 33, 727–736, 2006.
• Kahveci, K., Numerical simulation of natural convection in a partitioned enclosure using PDQ method, International Journal of Numerical Methods for Heat and Fluid Flow 17(4), 439-456, 2007a. enclosure heated with a uniform heat flux, ASME Journal of Heat Transfer 129, 717-726, 2007b. convection in an enclosure with a finite thickness partition, Numerical Heat Transfer Part A: Applications (10), 979-1002, 2007c.
• J.A., Mechanisms of Heat Flow in Suspensions of Nano- sized Particles (nanofluids), Int. J. Heat Mass Transfer, , 855–863, 2002.
• Khanafer, K., Vafai K. and Lightstone, M., Buoyancy- Driven Heat Transfer Enhancement in a Two-Dimensional Enclosure Utilizing Nanofluids, Int. J. Heat Mass Transfer, 46, 3639–3653, 2003. thermal nanoparticles, ASME J. Heat Transfer 121, 280–289, of fluids containing oxide
• Eastman, J.A. Choi, S.U.S., Yu, W., Thompson, L.J., Anomalously increased effective thermal conductivity of 18. Maxwell-Garnett, J.C., Colours in Metal Glasses and in ethylene nanoparticles, Appl. Phys. Lett. 78, 718–720, 2001. nanofluids containing copper
• Guiet, J., Reggio, M., Vasseur, P., Natural convection of 19. Moftafa, M., Numerical Simulation of free convection of nanofluids in a square enclosure with a protruding heater, Advances in Mechanical Engineering, 2012, 1-11, 2011.
• Hamilton, R.L. and Crosser, O.K., Thermal Conductivity of Heterogeneous Fundamentals, 1, 182–191, 1962. Systems, I &
• EC 20. Ogut E. B., Natural convection of water-based nanofluids Hwang, K. S., Lee, J.H. and Jang, S.P., Buoyancy-driven Heat Transfer of Water-based Al2O3 Nanofluids in a 21. Rashmi, W., Ismail, A.F., Khalid M., Faridah, Y., CFD Rectangular Cavity, International Journal of Heat and Mass Transfer, 50, 4003–4010, 2007.
• Metallic Films, Philos. Trans. Roy. Soc. A 203, 385–420, nanofluid in a square cavity with an inside heater, International Journal of Thermal Sciences, 50, 2161-2175, in an inclined enclosure with a heat source, International
• Journal of Thermal Sciences, 48, 2063-2073, 2009. studies on natural convection heat transfer of Al2O3-water nanofluids, Heat and Mass Transfer, 47, 1301-1310, 2011.