Numerical investigation of combined effect of nanofluid and impinging jet on heat transfer from a high heat flux moving surface

Öz

Besides technological developments heat loads on industrial systems are also increasing. So increasing rate of heat transfer to prevent demolition of the systems by high heat flux is a significant problem to solve. In this study, enhancement of heat transfer from a moving high heat flux surface with nanofluids and impinging jets was studied numerically. Effects of different Reynolds number for different fluid velocities (Re=8000, 16000, 24000, 32000), different volume ratio of nanofluids (ϕ=0.5, 1.0, 1.5, 2.0), different particle diameter of nanofluids (Dp= 10, 20, 30, 40 nm) and different plate velocities (Vplate= 0, 0.5, 1, 2m/s) on heat transfer were investigated. Al2O3-H2O is used as a base fluid for all parameter. k-ε turbulence model of PHOENICS CFD program was used for numerical analysis. As a result; increasing Re number from Re=8000 to Re=32000 causes an increase of 54.9% on Nuavg, increasing nanofluid volume ratio from ϕ=0.5 to ϕ=2.0 causes an increase of 2.5% on Nuavg, decreasing nanofluid particle diameter from Dp=40 nm to Dp=10 nm causes an increase of 9.1% on Nuavg. It was also determined that increasing plate velocity causes an increase on Nuavg. This increase can be assigned at the region of fluid velocity and plate velocities were at the same direction according to the opposite direction. Increasing plate velocity from Vplate=0 m/s to Vplate=2 m/s causes and increase of 40.9% on Nuavg. Additionally, numerical results were also verified with some experimental results in literature.

Anahtar Kelimeler

• Impinging jet
• Moving plate
• Heat transfer
• Nanofluid

Yüksek ısı akılı hareketli bir plakadan olan ısı transferine nanoakışkanların ve çarpan jetlerin müşterek etkisinin sayısal incelenmesi

Öz

Gelişen teknoloji endüstriyel cihazlar üzerindeki ısıl yükler gün geçtikçe arttırmaktadır. Bu ısıl yüklerin cihazlara vereceği tahribatı engellemek için ısı transferinin artırılması çözülmesi gereken önemli bir problem haline gelmiştir. Bu çalışmada; üzerinde yüksek ısı akısı olan hareketli bir plakadan olan ısı transferinin, nanoakışkanlar ve çarpan jet kullanılarak iyileştirilmesinin sayısal incelemesini hedeflemiştir. Farklı nanoakışkan giriş hızları için hesaplanan Reynolds sayılarının (Re=8000, 16000, 24000, 32000), farklı nanoakışkan hacim oranları (ϕ=0,5, 1,0, 1,5, 2,0), farklı nanoakışkan parçacık çaplarının (Dp= 10, 20, 30, 40 nm) ve farklı plaka hızlarının (Vplaka= 0, 0,5, 1, 2m/s) ısı transferine etkisi sayısal olarak çalışılmıştır. Tüm parametreler için temel akışkan olarak Al2O3-H2O nanoakışkanı kullanılmıştır. Sayısal çalışmada PHOENICS hesaplamalı akışkanlar dinamiği programının k-ε türbülans modeli kullanılmıştır. Çalışma sonucunda; Reynolds sayısı Re=8000-32000 aralığında arttırıldığında Nuort değerinde %54,9 artış olduğu tespit edilmiştir. Nanoakışkan hacimsel oranı ϕ=0,5-2,0 aralığında arttırıldığında ortalama Nusselt sayısında % 2,5’lik bir artış olduğu belirlenmiştir. Nanoakışkan parçacık çapı Dp= 40-10 nm aralığında azaltıldığında ortalama Nusselt sayısında % 9,1’lik bir artış meydana geldiği tespit edilmiştir. Farklı plaka hızlarında ise ortalama Nusselt sayısının genel olarak arttığı belirlenmiştir. Bu artışın; plaka hızı ve akışkan hızının ters yönde olduğu bölgede, aynı olduğu bölgeye göre daha belirgin bir şekilde ortaya çıktığı tespit edilmiştir. Vplaka= 0-2 m/s aralığında Nuort değerindeki artışın %40,9 olarak meydana geldiği belirlenmiştir. Ayrıca sayısal model sonuçları, literatürdeki deneysel sonuçlarla da doğrulanmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Çarpan jet
• Hareketli plaka
• Isı transferi
• Nanoakışkan

Kaynakça

1. [1] Z.H. Lin, Y.J. Chou, and Y. H. Hung, Heat transfer behaviours of a confined slot jet impingement, International Journal of Heat and Mass Transfer, 49, 2760-80, 1996. https://doi.org/10.1016/00179310(96 )00135-4
2. [2] S.A. Nada, Slot/Slots air jet impinging cooling of a cylinder for different jets-cylinder configuration, Departmant of Mechanical Engineering Technology BenhaUniversity, 2006. https://doi.org/10.1007/s0023 100601003
3. [3] I. Dagtekin, H. Oztop, Heat transfer due to double laminar slot jets impingement onto an isotermal wall one side closed long duct, Int. Journal of Heat and MassTransfer, 35, 5, 75, 2007. https://doi.org/10.1016/ j.icheatmasstransfer.2007.05.013
4. [4] M. Kilic, T. Çalışır and Ş. Başkaya, Experimental and numerical study of heat transfer from a heated flat plate in a rectangular channel with an impinging jet, Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 48, 1-16, 2016.
5. [5] A. McGuinn, T. Persoons, T. O’donovan and D. Murray, Surface heat transfer from an impinging synthetic air jet, International Journal of Heat and Mass Transfer, 20, 1333-38, 2007.
6. [6] S. Khudheyer, F. Oztop and I. Yılmaz, Analysis of turbulent flow and heat transfer over a double forward facing step with obstacles, Heat and Mass Transfer, 39, 1395-1403, 2012. https://doi.org/10.1016/j.icheatmass transfer.2012.07.011
7. [7] T. Demircan, Numerical analysis of cooling an electronic circuit component with cross flow and jet combination, Journal of Mechanics, 35, 3, 395-404, 2019. https://doi.org/10.1017/jmech.2018.11
8. [8] T. Demircan, H. Türkoğlu, The Numerical Analysis of Oscillating Rectangular Impinging Jets, Numerical Heat Transfer, Part A: Applications, 58, 146-161, 2010. https://doi.org/10.1080/10407782.2010.496669

9. [9] A. Umer, S. Naveed and N. Ramzan, Experimental study of laminar forced convection heat transfer of deionized water based copper (I) oxide nanaofluids in tube with constant wall heat flux, Heat Mass Transfer, 52, 2015-25, 2015.
10. [10] B. Sun, Y. Qu and D. Yang, Heat transfer of single impinging jet with cu nanofluids, Applied Thermal Engineering, 102, 701-7, 2016. https://doi.org/10.1016 /j.applthermaleng.2016.03.166
11. [11] O. Manca, D. Ricci, S. Nardini and Lorenzo G., Thermal and fluid dynamics behaviours of confined laminar impinging slot jets with nanofluids, International Communications in Heat and Mass Transfer, 70, 15-26, 2016.
12. [12] M.A. Teamah, M.M. Dawood and A. Shehata, Numerical and experimental investigation of flow structure and behavior of nanofluids flow impingement on horizontal flat plate, Experimental Thermal and Fluid Science, 74, 235-246, 2015. https://doi.org/ 10.1016/j.expthermflusci.2015.12.012
13. [13] J. Qu, H.Y. Wu and P. Cheng, Thermal performance of an oscillating heat pipe with Al2o3-water nanofluids, International Communication Heat and Mass Transfer, 37, 111-15, 2010 .https://doi.org/10.1016/j.icheatma sstransfer.2009.10.001
14. [14] M. Kilic, H.M. Ali, Numerical investigation of combined effect of nanofluids and multiple impinging jets on heat transfer, Thermal Science, 23, 3165-73, 2019. https://doi.org/10.2298/TSCI171204094K
15. [15] M. Kilic, O. Ozcan, Farklı parametreler için nanoakışkanlar ve çarpan jetlerin müşterek etkisinin sayısal incelenmesi, Gazi Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 34, 1501-16, 2019.
16. [16] S. W. Kang, W. C. Wei, S. H. Tsia and S. H. Yang, Experimental investigation of silver nanofluid on heat pipe thermal performance, Applied Thermal Engineering, 26, 2377-82, 2006. https://doi.org/10.10 16/j.applthermaleng.2006.02.020
17. [17] S. Akcay, U. Akdag, Parametric investigation of effect on heat transfer of pulsating flow of nanofluids in a tube using circular rings, Pamukkale University, Journal of Engineering Sciences, 24(4), 597- 604, 2018.
18. [18] U. Akdag, S. Akcay and D. Demirel, Heat transfer enhancement with nanofluids under laminar pulsating flow in a trapezoidal- corrugated channel, Progress in Computational Fluid Dynamics, An International Journal,17, 302-12, 2017. https://doi.org/10.1504/PC FD.2017.086322
19. [19] U. Akdag, M.A. Komur and S. Akcay, Prediction of heat transfer on a flat plate subjected to a transversely pulsating jet using artificial neural networks, Applied Thermal Engineering, 100, 412–20, 2016. https://doi .org /10.1016/j.applthermaleng.2016.01.147
20. [20] M. Corcione, Empirical correlating equations for predicting the effective thermal conductivity and dynamic viscosity of nanofluids, Energy Conversion and Management, 52, 789–793, 2011. https://doi.org /10.1016/j.enconman.2010.06.072
21. [21] Q. Li, Y. Xuan and F. Yu, Experimental investigation of submerged single jet impingement using cu-water nanofluid, Applied Thermal Engineering, 36, 426–33, 2012. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2011.10.059