بررسي عددي جريان جوشش اجباري نانوسيال آب/اكسيد آلومينيوم در يك كانال عمودي

Numerical investigation of water/〖Al〗_2 O_3 nanofluid forced convective boiling flow in a vertical channel

امروزه پديده جوشش به واسطه افزايش قابل توجهي كه در ضرايب انتقال حرارت ميدان جريان ايجاد مي‌كند، مورد توجه بسياري از محققان در حوزه‌هاي مختلف از جمله صنايع نفت، پتروشيمي و نيروگاهي است. در اين راستا ارتقاي پارامترهاي ميداني جهت افزايش انتقال حرارت در كنار استفاده از ذرات نانوي معلق در سيال پايه از مسايل مهم ديگر در اين زمينه است. در اين مقاله، به كمك ديناميك سيالات محاسباتي تاثير افزودن نانو ذره اكسيد آلومينيومAl_2 O_3 در ميدان جريان همراه با جوشش مورد بررسي قرار گرفته است. براي تحليل ميدان جريان از معادلات پيوستگي، مومنتم، انرژي براي هر فاز در ديدگاه اويلرين- اويلرين و همچنين از نحوه سهم‌بندي مدل شار حرارتي اعمالي به ديواره توسط موسسه تحقيقاتي رنسلر براي شرايط جوشش استفاده شده است. در كنار صحت‌سنجي مطالعه جريان جوششي مادون سرد، اثر افزودن نانوذره اكسيد آلومينيوم به سيال پايه بر روي پارامترهاي انتقال حرارت مورد بررسي قرار گرفته است. مشاهده شد كه با افزايش غلظت ذرات نانو، دماي ديواره اصطلاحاً خنك‌تر و ضريب انتقال حرارت جابجايي افزايش قابل توجهي پيدا مي‌كند.

Nowadays boiling phenomenon has been an important issue in various fields such as petroleum industries and nuclear power plants due to enhancement of the total heat transfer coefficient. One method to increase the level of heat transfer coefficient is to add certain nanoparticles such as Al_2 O_3 to the base fluid. The present paper concerns the effect of nanoparticles on forced convective boiling within the general- purpose computational fluid dynamics (CFD) solver FLUENT. The governing equations solved are generalized phase continuity, momentum and energy equations. Wall boiling phenomena are modeled using the baseline mechanistic nucleate boiling model developed in Rensselaer Polytechnic Institute (RPI). To simulate the critical heat flux phenomenon, the RPI model is extended to the departure from nucleate boiling by partitioning wall heat flux to both liquid and vapor phases considering the existence of thin liquid wall film. In addition to validating the subcooled boiling phenomenon, the effect of aluminum oxide Al_2 O_3 nanoparticles on heat transfer coefficients has been analyzed. It is concluded that by increasing the volume fraction of Al_2 O_3 nanoparticles in the base fluid, wall temperature has been dropped and the heat transfer coefficients have been increased significantly.