بررسی پارامترهای موثر بر راندمان حرارتی در یک کانال متخلخل در شرایط تعادل حرارتی محلی
محورهای موضوعی : انرژی های تجدید پذیرزهره پورشریف 1 , حسام الدین سالاریان 2 , کوروش جواهرده 3 , مجید اسحق نیموری 4
1 - دانشجوی دکتری مهندسی مکانیک دانشگاه آزاد اسلامی واحد نور.
2 - دانشيار مهندسی مکانیک دانشگاه آزاد اسلامی واحد نور. *(مسوول مکاتبات)
3 - دانشیار مهندسی مکانیک دانشگاه گیلان.
4 - استادیار مهندسی مکانیک دانشگاه تخصصی فناوری¬های نوین آمل.
کلید واژه: کانال متخلخل, عدد دارسی, سیال غیرنیوتنی, تعادل حرارتی محلی.,
چکیده مقاله :
زمینه و هدف: با بهبود عملكرد مبدل حرارتي، امكان كوچك‌سازي ابعاد و در نتيجه كاهش هزينه‌هاي توليد آن فراهم و اين موضوع منجر به كاهش در مصرف سوخت و حفاظت بهتر از محيط زيست ميشود. به همین منظور مهندسان روشهای متعددی را برای افزایش انتقال حرارت و راندمان حرارتی پیشنهاد نمودهاند. نرخ انتقال حرارت جریان آشفته سیال غیرنیوتنی در مبدل حرارتی حاوی محیط متخلخل جزئی به صورت عددی در این تحقیق بررسی شده است. اثر اندیسهای مختلف سیال پاورلا و عدد دارسی، روی نرخ انتقال حرارت و راندمان حرارتی جریان آشفته، بررسی و با هم مقایسه شده است.
روش بررسی: مدل مورد نظر در نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی فلوئنت و بر اساس روش حجم محدود شبیهسازی شده است و معادلات جریان و انرژی با مرتبه دو گسستهسازی شدهاند.
یافته ها: در این تحقیق که در سال 1400 به انجام رسیده است نتایج به دست آمده به این صورت است: سیال شبه پلاستیک در مقایسه با سیال نیوتنی و دیلاتنت دارای بیشترین نرخ انتقال حرارت و راندمان حرارتی است. بر اساس یافتهها با کاهش عدد دارسی نرخ انتقال حرارت و راندمان حرارتی افزایش مییابد . بررسی اثر مساحت بدون بعد لایه پروس (S) روی عدد ناسلت و راندمان حرارتی در اعداد دارسی مختلف نشان میدهد که در سطح مقطع بدون بعد لایه متخلخل 9/0S= ، مقدار عدد ناسلت بیشترین مقدارو در 76/0S= راندمان حرارتی بیشترین مقدار را دارد.
بحث و نتیجه گیری: 76/0S= مقدار بهینه ضخامت لایه متخلخل است. بنابراین لایه متخلخل با سطح مقطع بیبعد 76/0S= ، 4-10Da= و سیال شبه پلاستیک برای حصول بیشترین راندمان حرارتی برای این مسئله پیشنهاد میشود.
Background & Objective: By improving the performance of the heat exchanger, it is possible to reduce the size and production costs of the heat transfer, and this leads to a reduction in fuel consumption and better environmental protection. To this purpose, engineers have proposed several ways to increase the heat transfer. The heat transfer rate of a turbulent non-Newtonian fluid flow in a heat exchanger with partially porous media is numerically investigated in this paper. The effects of power-law index of the fluid and Darcy number on the heat transfer rate and thermal performance of turbulent flow are studied and compared to each other.
Material and Methodology: The research model is simulated in the FLUENT computational fluid dynamics software using Finite Volume Method and the flow and energy equations are discretized up to the second order upwind.
Findings: The pseudo-plastic fluid has the highest heat transfer rate and thermal performance compared to Newtonian and dilatant fluids. According to the findings, the heat transfer rate and thermal performance increase with decreasing Darcy number. Investigation of the effect of non-dimensional porous layer area (S) on the Nusselt number and thermal efficiency in different Darcy numbers shows that, the Nusselt number has the highest value in S=0.9 and thermal efficiency has the highest value in S=0.76.
Discussion and conclusion: S=0.76 is the optimal porous layer thickness. Therefore, porous layer with S=0.76, and the pseudo-plastic fluid are recommended for the optimal thermal efficiency.
1. Chen G, Hadim H. Forced convection of a power-law fluid in a porous channel–numerical solutions. Heat and Mass Transfer. 1998;34(2-3):221-8.
2. Yilmaz N, Bakhtiyarov AS, Ibragimov RN. Experimental investigation of Newtonian and non-Newtonian fluid flows in porous media. Mechanics Research Communications. 2009;36(5):638-41.
3. Huang Z, Nakayama A, Yang K, Yang C, Liu WJIJoH, Transfer M. Enhancing heat transfer in the core flow by using porous medium insert in a tube. 2010;53(5-6):1164-74.
4. Jamarani A, Maerefat M, Jouybari NF, Nimvari MEJTiPM. Thermal performance evaluation of a double-tube heat exchanger partially filled with porous media under turbulent flow regime. 2017;120(3):449-71.
5. Shirvan KM, Mirzakhanlari S, Kalogirou SA, Öztop HF, Mamourian MJIJoTS. Heat transfer and sensitivity analysis in a double pipe heat exchanger filled with porous medium. 2017;121:124-37.
6. Barnoon P, Toghraie DJPT. Numerical investigation of laminar flow and heat transfer of non-Newtonian nanofluid within a porous medium. 2018;325:78-91.
7. Mohebbi R, Delouei AA, Jamali A, Izadi M, Mohamad AA. Pore-scale simulation of non-Newtonian power-law fluid flow and forced convection in partially porous media: Thermal lattice Boltzmann method. Physica A: Statistical Mechanics and its Applications. 2019;525:642-56.
8. Baragh S, Shokouhmand H, Ajarostaghi SSM, Nikian M. An experimental investigation on forced convection heat transfer of single-phase flow in a channel with different arrangements of porous media. International Journal of Thermal Sciences. 2018;134:370-9.
9. Syed KS, Ishaq M, Bakhsh MJC, Fluids. Laminar convection in the annulus of a double-pipe with triangular fins. 2011;44(1):43-55.
10. Antohe B, Lage JJIJoH, Transfer M. A general two-equation macroscopic turbulence model for incompressible flow in porous media. 1997;40(13):3013-24.
11. Pedras MH, de Lemos MJJIjoh, transfer m. Macroscopic turbulence modeling for incompressible flow through undeformable porous media. 2001;44(6):1081-93.
12. Nakayama A, Kuwahara FJJofe. A macroscopic turbulence model for flow in a porous medium. 1999; 121(2):427-33.
13. Nazari M, Mohebbi R, Kayhani M. Power-law fluid flow and heat transfer in a channel with a built-in porous square cylinder: Lattice Boltzmann simulation. Journal of non-Newtonian fluid mechanics. 2014;204:38-49.
14. Silva RA, de Lemos MJ. Turbulent flow in a channel occupied by a porous layer considering the stress jump at the interface. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2003; 46(26):5113-21.
15. Nield DJIJoH, Flow F. The limitations of the Brinkman-Forchheimer equation in modeling flow in a saturated porous medium and at an interface. 1991;12(3):269-72.
16. Nasiri M, Etemad SG, Bagheri RJICiH, Transfer M. Experimental heat transfer of nanofluid through an annular duct. 2011;38(7):958-63.
17. Prasad KV, Santhi SR, Datti PS. Non-Newtonian power-law fluid flow and heat transfer over a non-linearly stretching surface. Applied Mathematics. 2012; 3(5):425-35.
18. Nebbali R, Bouhadef KJIjots. Non-Newtonian fluid flow in plane channels: Heat transfer enhancement using porous blocks. 2011; 50(10):1984-95.
19. Shenoy AJAiHt. Non-Newtonian fluid heat transfer in porous media. 1994; 24:102-91.
20. Heydari M, Toghraie D, Akbari OAJTS, Progress E. The effect of semi-attached and offset mid-truncated ribs and Water/TiO2 nanofluid on flow and heat transfer properties in a triangular microchannel. 2017;2:140-50.
21. Rabbani P, Hamzehpour A, Ashjaee M, Najafi M, Houshfar EJPT. Experimental investigation on heat transfer of MgO nanofluid in tubes partially filled with metal foam. 2019; 354:734-42.
