شبيه‌ سازي عددي انتقال حرارت جابجايي آزاد نانوسيال در محفظه‌ با ديواره‌هاي موجي و توزيع دماي سينوسي به ‌روش شبكه بولتزمن

Numerical simulation of free convection heat transfer of nanofluid in a wavywall cavity with sinusoidal temperature distribution, using lattice Boltzmann method

در اين مقاله، انتقال حرارت جابجايي آزاد دو بعدي نانوسيال آبي اكسيد آلومينيم (Al2O3) در محفظه بسته با ديواره‌هاي موجي پيچيده به روش شبكه بولتزمن مورد مطالعه قرار گرفته است. ديواره‌هاي جانبي محفظه داراي هندسه پيچيده موجي هستند و ديواره سمت چپ داراي توزيع دماي غيريكنواخت سينوسي و ديواره سمت راست در دماي ثابت و سرد قرار دارند. ديواره‌هاي افقي بالا و پايين محفظه هر دو صاف و نسبت به عبور حرارت و جرم عايق شده‌اند. به علت تغييرات ناچيز چگالي در مطالعه حاضر، از تقريب بوزينسك استفاده شده است كه باعث تأثيرپذيري ميدان هيدروديناميكي از ميدان حرارتي مي‌گردد. براي توابع توزيع چگالي و انرژي از آرايش شبكه D2Q9 استفاده شده است. تغيير پارامترهايي نظير كسر حجمي نانوذرات، عدد رايلي، هندسه ديواره‌هاي جانبي، اختلاف فاز و دامنه تابع سينوسي دما بر روي ميدان جريان و ميدان دما مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج نشان مي‌دهند در محدوده اعداد رايلي Ra=103 -105 با افزايش كسر حجمي نانوذرات، عدد ناسلت افزايش مي‌يابد. علاوه بر اين نشان داده شده است كه براي يك عدد رايلي ثابت با تنظيم پارامترهاي هندسه ديواره‌هاي عمودي مي‌توان به يك انتقال حرارت بهينه دست ‌يافت. بيشترين اثر نانوذرات با تغيير عدد رايلي در اختلاف فازهاي مختلفي مشاهده گرديد. درنهايت اين مطالعه مي‌تواند يك ديد كلي براي افزايش انتقال حرارت در محفظه‌هايي با ديواره‌هاي موجي و توزيع دماي سينوسي را فراهم آورد.

In this paper, free convection heat transfer of Al2O3/water nanofluid within an enclosed cavity is studied by adopting the lattice Boltzmann Model. The left and right side walls of the cavity have a complexwavy surface and the left wall is heated by a sinusoidal temperature distribution higher than the right cold wall. The top and the bottom horizontal walls are smooth and insulated against heat and mass. In this study, the variation of density is slight thus hydrodynamics and thermal fields equation are coupled using the Boussinesq approximation. The density and energy distribution are both solved by D2Q9 model. The influence of pertinent parameters such as solid volume fraction of nanoparticles, Rayleigh numbers, complex-wavy-wall geometry parameters, phase deviation and amplitude of the sinusoidal temperature function on flow and heat transfer fields are investigated. Results show for Rayleigh numbers in the range of Ra=103 -105, with increasing volume fraction of nanoparticles, Nusselt number increases. In addition, it is shown that for a fixed Rayleigh number, the heat transfer performance depends on tuning the wavy-surface geometry parameters. The greatest effects of nanoparticles are observed for different values of the phase deviation with increase in Rayleigh number. This study can, provide useful insight for enhancing the convection heat transfer performance within enclosed cavities with complex-wavy-wall surfaces and sinusoidal temperature distribution.