عنوان پایان‌نامه
مطالعه عددی انتقال حرارت مزدوج جریان مغشوش نانوسیال در مبدل‌های حرارتی دو لوله‌ای جریان مخالف
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک تبدیل انرژی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 2397;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 58962
- تاریخ دفاع
- ۱۰ تیر ۱۳۹۲
- دانشجو
- سیدحمیدرضا قریشی
- استاد راهنما
- مهرداد رئیسی دهکردی
- چکیده
- در این پایان نامه جریان مغشوش سیال ها و انتقال حرارت مزدوج در یک مبدل حرارتی دو لوله ای مستقیم با جریان مخالف با استفاده از تکنیک های دینامیک سیالات محاسباتی مطالعه شده و تاثیر افزودن نانوذرات اکسید تیتانیوم (TiO2) به سیال پایه آب در افزایش انتقال حرارت مبدل مورد بررسی قرار می گیرد. معادلات حاکم بر جریان تک فاز توسط جعبه ابزار کد باز CFD با نام OpenFOAM حل شده اند و شبکه حل توسط نرم افزار Gambit تولید شده است. میدان فشار و سرعت با استفاده از روش SIMPLE با یکدیگر کوپل شده و معادلات انتقال بر روی یک شبک? مجتمع (co-located grid) گسسته سازی شده اند. برای حل میدان فشار و سرعت از مدل های رینولدز پایین دو معادله ای بهره گرفته شده است. میان نتایج دو نمونه از این مدل ها، یعنی مدل لاندر- شارما و ناگانو- تاگاوا مقایسه ای انجام شد و مشخص گردید که مدل دوم جریان و انتقال حرارت را دقیق تر پیش بینی می کند. در ابتدا دو پیکربندی محتمل برای جریان های سرد و گرم به لحاظ کارایی مورد مقایسه قرار گرفتند و محاسبات نشان داد که بسته به دبی مورد نظر، جابجایی جریان های سرد و گرم می تواند سبب افت یا ارتقاء عملکرد حرارتی مبدل گردد. سپس با افزودن ذرات جامد نانو به جریان داخل لوله، خواص جدید بر طبق مقادیر اندازه گیری شده تجربی محاسبه شده و مشخص گردید که استفاده از نانوسیال رقیق می تواند سبب افزایش ضریب انتقال حرارت جابجایی گردد. نتیجه حل با آزمایش های دانگتونگساک و وانگوایزز مقایسه شده و ملاحظه شد که حل عددی اگر چه در پیش بینی دقیق مقدار انتقال حرارت خطا دارد، اما اثر مثبت استفاده از نانوسیال رقیق و افزایش عدد رینولدز را در بهبود ضریب انتقال حرارت مبدل درست پیش بینی می کند. البته در غلظت های حجمی بزرگتر از 1%، نتایج عددی اعتبار خود را از دست می دهند. نتایج نشان می دهد استفاده از فرمول های تئوری به جای مقادیر تجربی در محاسبه خواص نانوسیال باعث ایجاد خطا در نتایج شده و به تحلیل نادرست راجع به مزیت نانوسیال منجر می گردد. در نهایت، حل عددی نشان داد افزودن ذرات نانو به جریان گرم در یک مبدل، کارایی مبدل را نسبت به استفاده از نانوسیال سرد کاهش می دهد.
- Abstract
- Turbulent flow and heat transfer in a double-tube counter-flow heat-exchanger is studied numerically and the positive effect of adding TiO2 nanoparticles on heat transfer is calculated. Momentum and energy equations of single-phase flow are solved using the open-source CFD toolbox of OpenFAOM and the grid is generated by Gambit software. SIMPLE method plays the role for pressure-velocity coupling and the equations of transport are discretized on a co-located grid. Low-Reynold k-? models of Launder-Sharma and Nagano-Tagawa are used to calculate the hydrodynamic part of the problem and it was shown that the latter predicts the flow and heat transfer more precisely. As the first step, two probable configurations of heat-exchanger flows were studied and it was found that depending on the volumetric flow-rate, switching hot and cold flows between inner and outer tube would have either a positive or negative effect in heat transfer. Then, the effect of adding TiO2 nanoparticles to tube-flow on fluid properties was calculated based on Duangthongsuk and Wongwises experiments and the new case was solved numerically. Findings show that using dilute nanofluid can increase the average heat transfer coefficient of the system and the more the volume fraction of nanoparticles, the more the convective heat transfer. Results of this study were compared with those of Duangthongsuk and Wongwises experiments. Although the numerical solutions can not predict the exact experimental results, the increasing trend of heat transfer coefficient associated with the increase in nanoparticle volume fraction and Reynolds number in a dilute suspension was calculated correctly. However, in volume fractions higher than 1%, single-phase assumption and the corresponding numerical solution fail to predict experimental trends. It is shown that the method used to calculate nanofliud properties, either experimantal or theoretical, would have an effect on calculated convective heat transfer coefficent and may result in wrong conclusions related to nanofliud advantage. Finally, the effect of base-fluid temperature on thermal performance of the system was studied and it was observed that adding nanoparticles to the hot flow results in a decrease in the average heat transfer of the system and nanoparticles should be added to the cold flow.
