بررسي عددي جابجايي طبيعي نانوسيال‌ در محفظه‌ مربعي با منبع حرارتي مركزي و ارايه روابطي براي محاسبه عدد ناسلت

Numerical study of natural convection in a nanofluid filled enclosure with central heat source and presenting correlations for Nusselt number

هدف از مطالعه حاضر، بررسي عددي جابجايي طبيعي نانوسيال‌هاي مختلف داخل يك محفظه مربعي با منبع حرارتي مركزي در نسبت‌هاي منظري مختلف و به‌دست آوردن روابطي براي عدد ناسلت بر حسب عدد رايلي و كسرحجمي نانوذرات‌ مي‌باشد. منبع حرارتي در دماي Th و ديواره محفظه در دماي Tc مي‌باشد. نانوسيال‌ها بر پايه آب با نانوذرات مس، اكسيد مس، نقره، اكسيد آلومينيم و يا اكسيد تيتانيوم در نظر گرفته شده‌اند. براي تحليل جابه‌جايي طبيعي از يك برنامه كامپيوتري به زبان فرترن بر اساس روش حجم محدود و الگوريتم سيمپلر استفاده شده است. مطالعه براي نسبت منظري 2/0 تا 8/0، عدد رايلي 103 تا 106 و كسر حجمي نانوذرات تا حداكثر كسر حجمي 05/0 انجام شده است. نتايج عددي نشان مي‌دهد كه عدد ناسلت با افزايش كسر حجمي نانوذرات و افزايش نسبت منظري زياد مي‌شود. با افزايش عدد رايلي در فضاي بالايي بين منبع و ديواره محفظه گردابه‌‌هايي از نوع رايلي-بنارد ايجاد مي‌شود. براساس نتايج عددي حاصل، روابط همبسته با دقت بسيار خوبي براي ارزيابي عدد ناسلت ارايه شده است.

The present study aims to investigate numerically the natural convection of various nanofluids inside a square enclosure with a central heat source at different aspect ratio. Also, some correlations are presented in order to calculate the Nusselt number in terms of Rayleigh number and volume fraction of nanoparticles. The heat source and cavity walls are kept at constant temperatures of Th and Tc, respectively. The nanofluids are considered to be water as the base fluid and different nanoparticles such as Cu, CuO, Ag, Al2O3, or Tio2. To discretize the governing equations, the control volume method and SIMPELER algorithm have been employed. The study has been carried out for aspect ratios from 0.2 to 0.8, Rayleigh numbers from 103 to 106 and the volume fractions of nanoparticles ranging in 0-0.05. The results indicated that the Nusselt number increases with increasing the volume fraction of nanoparticles as well as the aspect ratio. Furthermore, by increasing the Rayleigh number, some eddies, of kind of Rayleigh-Benard, are developed in the space between the heat source and the upper wall of the enclosure. Based on the obtained results, several correlations with high accuracy have been present in order to evaluate the Nusselt number.