Skip to main content
SUPERVISOR
Mohsen Saghafian,Ahmad Saboonchi
محسن ثقفیان (استاد مشاور) احمد صابونچی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Ebrahim Khalili
ابراهیم خلیلی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1390

TITLE

Numerical and Experimental Investigation of Nanoparticle Concentration Distribution in Natural Convection of Non-homogeneous Nanofluid
The objective of this thesis is to investigate experimentally and numerically the non-homogenous distribution of nanoparticles in the nanofluid by natural convection heat transfer inside a square enclosure. There are some phenomenon such as fluid motion, Brownian effect, thermophoresis effect and gravity which cause nanoparticles movements throughout the nanofluid. An experimental set-up was built to carefully take micro-litter samples of nanofluid from a 8×8×18(cm 3 ) square cavity. The nanofluid was prepared using 20nm-gamma type Al 2 O 3 nanoparticles dispersed in deionized distilled water. The experiments were done for three Rayleigh numbers 0.992×10 7 , 0.51×10 8 and 1.53×10 8 and the particle loading of 1% was constant during the experiments. The contours of nanoparticle fraction shows that the assumption of non-homogeneity is correct and the regions of high and low nanoparticle volume concentration are distinguishable. The fluid motion is the most important factor that may come in to play especially at higher Rayleigh number and causes the maximum differences between measured nanoparticle concentration. The result showed that the differences between maximum and minimum volume fraction in the whole cavity increases from 18% at Ra=0.992×10 7 to 28.76% at Ra=1.51×10 8 . It was observed that the average nanoparticle volume fraction along cold wall is 3.10% greater than that along hot wall for minimum Ra number however at higher Ra numbers this difference would weaken. To check precision of replicates and ensure accuracy, the data were analyzed using analysis of variance method (ANOVA method). In addition to experimental part, a numerical study has been conducted for two different geometry: A square cavity and a cylindrical enclosure. Numerical methods was used for the computational analysis of natural convection heat transfer from fire hot tube/plate to the cold tube/plate inside the water-Al 2 O 3 nanofluid in enclosure/cavity using alumina nanoparticles. The mathematical model is based on two-dimensional continuity, momentum, energy and volume fraction equations, which are solved numerically. The simulation was done for different value of particle loading 1%, 2% and 5% at Rayleigh numbers 10 3 , 10 4 ,10 5 ,10 6 , 10 7 and 10 8 . The results show that nanoparticles enhance the heat transfer by increasing the volume concentrations of particles in the case of enclosure at low Ra numbers while it diminishes at high Ra numbers in the case if cavity. It was observed that the maximum augmentation of the average Nusselt number is about 30.1% at the Ra=10 3 and 5% volume fraction. Although the average Nusselt number rises by increasing the Rayleigh number, the ratio of heat transfer using nanofluid to that by pure fluid decreases. Using 5% volume fraction of alumina nanoparticles at Rayleigh number of 10 3 increases the heat transfer to cold tube by about 23% compared to the pure water. The effect of nanolayer formation around particles was considered in thermal conductivity model which shows a maximum of 4.8% increase of the Nusselt number at the Ra=10 3 and 5% of particle loading. To verify the solution results, comparisons with previously published work on the basis of special cases are performed. The value of non homogeneity was 11.81% and 18% at the Ra=10 7 from numerical solution and the experiment respectively. Th maximum non-uniformity was observed at the maximum Ra number of 1.5×10 8 which was 28.76% from experiments and 24.30% for numerical solution. The present work reveals that there are still some issues for flow and thermal mechanisms in nanofluids, particularly regarding the nanoparticles distribution for future works. Keywords: Natural Convection, Non-homogeneous Nanofluid, Brownian Motion, Nanolayer Formation, Thermophoresis Effect, Heat Transfer.
: در این رساله به روش آزمایشگاهی و روش عددی، نحوه توزیع غلظت نانوذرات تحت تاثیر انتقال حرارت جابجایی طبیعی نانوسیال غیرهمگن آب-آلومینا با در نظر گرفتن پدیده های براونی، ترموفرسیس و نانولایه تحقیق گردید. تشکیل نانولایه باعث افزایش ضریب هدایت حرارتی می شود. پدیده های براونی و ترموفرسیس در معادلات حاکم خود را نشان می دهد لذا برای حل عددی علاوه بر معادلات بقای جرم، مومنتوم و انرژی، معادله انتقال نانوذرات هم حل عددی شد. بدین منظور یک کد UDF تهیه و مساله برای دو هندسه، یکی محفظه مربعی و دیگری هندسه استوانه ای، حل عددی گردید. با تغییر غلظت حجمی و عدد رایلی، تاثیر آنها بر عدد نوسلت بررسی شد. در حل عددی هم از روابط کلاسیک و هم از مدلهای اصلاح شده استفاده شد تا تاثیر آن در انتقال حرارت مشخص شود. علاوه بر این با لحاظ نمودن پدیده های اشاره شده در معادلات حاکم، اثر ناهمگن بودن نانوسیال در میزان انتقال حرارت محاسبه و با حالتهای قبل مقایسه گردید. نهایتا توزیع غیر یکنواخت ذرات درون محفظه بدست آمد. به منظور صحه گذاری نتایج بخش عددی، یک مجموعه آزمایشگاهی طراحی و ساخته شد که به کمک آن با ایجاد انتقال حرارت جابجایی طبیعی در یک محفظه مربعی که از بالا و پایین عایق و از طرفین در دو دمای ثابت متفاوت قرار دارد، میزان غلظت نانوذرات در نقاط مختلف محفظه با برداشت نمونه های بسیار کوچک (در حد میکرولیتر) اندازه گیری شد. روش اندازه گیری به کمک تکنیک توربیدیمتری و در اعداد رایلی مختلف انجام گردید. در تمام آزمایش ها نانوسیال با غلظت حجمی 1% ساخته شد و در تهیه نانوسیال، تستهای DLS و پتانسیل زتا و TEM انجام شد. در هر تکرار آزمایش، حداقل بیست و پنج نمونه از نقاط با موقعیت متفاوت درون محفظه توسط سرنگهای مخصوص برداشت و توربیدیمتری گردید. در نهایت کانتورهای غلظت حجمی نانوذرات در محفظه ترسیم شد. نتایج بخش آزمایشگاهی نشان داد که توزیع غیرهمگن نانوذرات وجود دارد. در برخی نواحی مانند نواحی نزدیک به دیواره های محفظه که در آنها سرعت جریان سیال زیاد است، غلظت حجمی نانوذرات در این نواحی کم است. از طرفی در ناحیه مرکزی محفظه تجمع نانوذرات و نهایتا افزایش غلظت حجمی نانوذرات ایجاد شد. دراین ناحیه نیروهای ترموفرسیس و براونی دارای قدرت تقریبا برابر هستند. زیرا نتایج عددی نشان داد که شارش نانوذرات در اثر این دو پدیده در دو جهت افقی و عمودی از نظر اندازه تقریبا با هم برابر و در تقابل با یکدیگرند. نتایج نشان داد که متوسط غلظت نانوذرات در طول جداره سرد به طور متوسط حدود %3.1 بزرگتر از مقدار آن در طول دیواره گرم می باشد. در بخش عددی مشاهده شد که در اعداد رایلی پایین/بالا افزودن نانوذرات باعث افزایش/کاهش انتقال حرارت می شود. در عدد رایلی کم برای هندسه استوانه ای با افزایش کسر حجمی نانوذرات از صفر به 5%، عدد نوسلت میانگین به میزان 30.1% در عدد رایلی Ra=10 3 افزایش می یابد. بر اساس نتایج عددی، وجود نانولایه باعث افزایش عدد نوسلت می گردد. در غلظتهای بالاتر، تاثیر نانولایه در افزایش انتقال حرارت مشهودتر است. بیشترین افزایش عدد ناسلت به میزان 4.8% در عدد رایلی Ra=10 3 به دست آمد. بر اساس نتایج این تحقیق تاثیر پدیده های ترموفرسیس و براونی در میزان انتقال حرارت در مقایسه با مدل همگن ناچیز بوده و تنها اندکی باعث کاهش انتقال حرارت می گردد. این در حالی است که استفاده از مدلهای کلاسیک در خواص، میزان انتقال حرارت را بیشتر بیش بینی می کنند. اختلاف نتایج بخش عددی وآزمایشگاهی در توزیع کسر حجمی نانوذرات مشاهده گردید. با افزایش عدد رایلی میزان ناهمگنی نانوسیال بیشتر می شود. میزان ناهمگنی مشاهده شده در عدد رایلی 10 7 در بخش عددی به اندازه 11.81% و در بخش آزمایشگاهی 18% بدست آمد. بیشترین ناهمگنی مشاهده شده در عدد رایلی 1.5×10 8 برای بخش آزمایشگاهی به اندازه 28.76% و در حل عددی 24.30% می باشد. مقایسه نتایج بخش عددی و آزمایشگاهی و بررسی نتایج کارهای دیگران نشان داد که انطباق کامل بین نتایج مشاهده نگردید لذا این موضوع نیاز به تحقیقات آتی دارد. کلمات کلیدی : نانوسیال، توزیع غیرهمگن نانوذرات، انتقال حرارت جابجایی آزاد، نانولایه، براونی، ترموفرسیس

ارتقاء امنیت وب با وف بومی