شبیه سازی جریان نانوسیال در عدد رینولدز پایین دریک میکروکانال با انبساط ناگهانی یک طرفه تحت اثر میدان مغناطیسی

علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک

مقاله 7، دوره 35، شماره 3 - شماره پیاپی 33، مهر 1402، صفحه 85-100   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jacsm.2023.79298.1143

نویسندگان

فروزان مرادی؛ سید پدرام پورنادری^*

گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه یاسوج، یاسوج.

چکیده

در این مطالعه، تأثیر میدان مغناطیسی بر هیدرودینامیک و انتقال حرارت جریان آرام نانوسیال در یک میکروکانال همراه با انبساط ناگهانی یک­طرفه در عدد رینولدز پایین بررسی می­شود. معادلات حاکم شامل معادلات بقای جرم، مومنتوم و انرژی با توسعه یک کد به زبان برنامه نویسی فرترن به روش تفاضل محدود بر روی یک شبکه جابه‌جا شده گسسته­سازی و حل می­شوند. نتایج  شبیه­سازی نشان می­دهد که در عدد رینولدز پایین، گردابه­ای بعد از پله تشکیل نمی­گردد. در حضور میدان مغناطیسی، ضریب اصطکاک با افزایش  کسر‌حجمی کاهش می­یابد. در کسرحجمی 4 درصد، این کاهش در مقایسه با آب خالص در اعداد هارتمن  20 و 40 به‌ترتیب 25 درصد و 18 درصد است. با اعمال میدان مغناطیسی ضریب اصطکاک افزایش می­یابد. برای نانوسیال با غلظت 4 درصد، افزایش ضریب اصطکاک متوسط در مقایسه با آب در اعداد هارتمن 20 و 40 به‌ترتیب 176 و 337 درصد می­باشد. در عدد رینولدز پایین، تأثیر میدان مغناطیسی بر روی عدد ناسلت ناچیز می­باشد. با افزایش  کسر‌حجمی عدد ناسلت کاهش می­یابد. در  کسر‌حجمی  4 درصد، تقریبا 12 درصد کاهش در عدد ناسلت در مقایسه با آب مشاهده می­گردد. بررسی معیار ارزیابی عملکرد نشان می­دهد که اعمال میدان مغناطیسی، منجر به بهبود عملکرد سیستم می­گردد. در عدد هارتمن 20 و  کسر‌حجمی 4 درصد، حدود 11 درصد افزایش در ضریب عملکرد نسبت حالت بدون میدان مشاهده می­شود.

کلیدواژه‌ها

نانوسیال؛ میکروکانال؛ انبساط ناگهانی؛ میدان مغناطیسی؛ عدد رینولدز پایین

مراجع

[1] S.  K. Bala, L.  K. Saha, M. A. Hossain, “Simulation of forced convection in a channel containing three obstacles over backward and forward facing  steps by LBM,” International Journal of Applied and Computational Mathematics, vol. 5, pp. 1-19, 2019.

[2] J. C. Maxwell, Eds, “A Treatise on Electricity and Magnetism,” Oxford: Clarendon press, 1873.

[3] S. U. Choi, J. A.  Eastman, Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles, ASME Conference, USA, pp. 99–105, (1995).

[4] O. Mahian, L. Kolsi, M. Amani, P. Estellé, G. Ahmadi, C. Kleinstreuer, J. S. Marshall, M. Siavashi, R.A. Taylor, H. Niazmand, S. Wongwises, “Recent advances in modeling and simulation of nanofluid flows-Part I: Fundamentals and theory,” Physics Reports, vol. 790, pp.1-48, 2019.

[5]A. Sh. Kherbeet, H. A. Mohammed, B. H. Salman, H. E. Ahmed, O. A. Alawi, “Experimental and numerical study of nanofluid flow and heat transfer over microscale backward-facing step,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 79, pp. 858–867, 2014.

[6] F. Selimefendigil, H. F. Öztop, “Forced convection and thermal predictions of pulsating nanofluid flow over a backward facing step with a corrugated bottom wall,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 110, pp. 231-247, 2017.

[7] H. A. Mohammed, F. Fathinia, H. B. Vuthaluru, S. Liu, “CFD based investigations on the effects of blockage shapes on transient mixed convective nanofluid flow over a backward facing step,” Powder Technology, vol, 346, pp. 441-451, 2019.

[8] H. Moayedi, “Numerical investigation of the effect of oscillating injection nanofluid flow on forced convection heat transfer enhancement over a backward-facing step,” The European Physical Journal Plus, vol. 135, pp. 924, 2020.

[9] P. Pournaderi, M. Aram, “Numerical investigation of nanofluid flow and heat transfer over a backward-facing step,” Engineering and Applied Science Research, vol. 47, pp. 401-413, 2020.

[10] D. Yang, B. Sun, T. Xu, B. Liu, H. Li, “Experimental and numerical study on the flow and heat transfer characteristic of nanofluid in the recirculation zone of backward-facing step microchannels,” Applied Thermal Engineering, vol. 199, pp.117527, 2021.

[11] T. Onishi, T. Yamamoto, “Numerical Analysis of Effects of Aspect Ratio of Rod-like Nanoparticles on Thermal and Flow Behavior of Nanofluids in Backward-facing Step Flows,” Nihon Reoroji Gakkaishi, vol. 50, pp.323-332, 2022.

[12] J. Hartmann, F. Lazarus., “Experimental investigations on the flow of mercury in a homogeneous magnetic field,” Munksgaard, 1937.‏

[13] F. Selimefendigil, H. Oztop, “Influence of inclination angle of magnetic field on mixed convection of nanofluid flow over a backward facing step and entropy generation,” Advanced Powder Technology, vol. 26, pp. 1663–1675, 2015.

[14] Z. Mehrez, A. E. Casfi, “Forced convection magnetohydrodynamic Al2O3–Cu/water hybrid nanofluid flow over a backward-facing step,” Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, vol. 135, pp.1417–1427, 2018.

[15] F. Selimefendigil, C. S. Ozkan, H. Oztop, “Electrical conductivity effect on MHD mixed convection of nanofluid flow over a backward-facing step,” Journal of Central South University, vol. 26, pp. 1133–1145, 2019.

[16] S. Hussain, S. E. Ahmed, “Unsteady MHD forced convection over a backward facing step including a rotating cylinder utilizing Fe3O4-water ferrofluid,” Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol. 484, pp. 356-366, 2019.

[17] B. P. Geridönmez, H. F. Öztop, “Effects of inlet velocity profiles of hybrid nanofluid flow on mixed convection through a backward facing step channel under partial magnetic field,” Chemical Physics, vol. 540, pp. 111010, 2020.

[18] T. D. Manh, A. M. Abazari, M. Barzegar Gerdroodbary, N. D. Nam, R. Moradi, H. Babazadeh, “Computational simulation of variable magnetic force on heat characteristics of backward-facing step flow,” Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, vol. 144, pp.1585-1596, 2021.

[19] K. Ghachem, F. Selimefendigil, B. M. Alshammari, C. Maatki, L. Kolsi, “Coupled Effects of Using Magnetic Field, Rotation and Wavy Porous Layer on the Forced Convection of Hybrid Nanoliquid Flow over 3D-Backward Facing Step,” Nanomaterials, vol. 12, p.2466, 2022.

[20] P. Pournaderi, M. Deilami, “Modeling nanofluid droplet impingement on a superheated surface,” Powder Technology, vol. 381, pp. 68-81, 2021.

[21] P. Pournaderi, A. R. Pishevar, “A numerical investigation of droplet impact on a heated wall in the film boiling regime,” Heat and Mass Transfer, vol. 48, pp. 1525-1538, 2012.

[22] M. Corcione, “Heat transfer features of buoyancy-driven nanofluids inside rectangular enclosures differentially heated at the sidewalls,” International Journal of Thermal Sciences, vol. 49, pp.1536-1546, 2010.

[23] R. S. Vajjha, D. K. Das, “Experimental determination of thermal conductivity of three nanofluids and development of new correlations,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 52, pp.4675-4682, 2009.

[24] T. L. Bergman, A. S. Lavine, F. P. Incropera, and D.P. DeWitt, Introduction to heat transfer, John Wiley & Sons, 2011. [E-book] Available: books.google.com.

[25] A. K. Hilo, A. A. Iborra, M. T. H. Sultan, M. F. A. Hamid, “Experimental study of nanofluids flow and heat transfer over a backward-facing step channel,” Powder Technology, vol. 372, pp. 497-505, 2020.