Thermal transfer in a cavity containing a rotating cylinder and filled with nanofluid

Abstract

Le transfert de chaleur est un concept fondamental en ingénierie, essentiel pour diverses industries. Il implique l’échange d’énergie thermique entre des systèmes physiques. Une application courante consiste à utiliser un milieu de transfert de chaleur solide-fluide pour ajouter ou retirer de la chaleur d’un système. Bien que les fluides de transfert de chaleur traditionnels (HTF) aient été largement utilisés, ils sont souvent limités par leurs propriétés thermiques restreintes. Les nanofluides (NF) et les nanofluides hybrides (HNF) sont des HTF qui ont attiré l’attention ces dernières années. Ces fluides non conventionnels offrent des caractéristiques thermiques améliorées, ce qui en fait des candidats prometteurs pour les futures applications de transfert de chaleur. Les chercheurs se sont particulièrement intéressés à la génération d’entropie dans l’écoulement naturel de nanofluides par convection. Un modèle mathématique a été développé pour décrire ce phénomène, utilisant la méthode des éléments finis résiduels pondérés de Galerkin pour discrétiser les équations sans dimension résultantes. Dans cette étude, nous explorons l’écoulement de convection libre en régime permanent et incompressible de nanofluides à l’intérieur de différentes enceintes à l’aide d’un logiciel de dynamique des fluides computationnelle (CFD). La forme de l’enceinte varie, comprenant différentes configurations de parois chaudes et froides, de parois latérales droites et ondulées, ainsi que la présence ou l’absence de barrières in situ. L’étude examine l’impact des nombres de Rayleigh (Ra), des nombres de Hartmann (Ha), des nombres de Darcy (Da), des fractions volumiques solides (ф) et de multiples paramètres géométriques sur les isothermes, les lignes de courant, le nombre de Nusselt moyen (Nuavg) et la génération de l’entropie totale. Nous analysons l’impact de ces facteurs sur divers aspects, notamment les isothermes, les lignes de courant, le nombre de Nusselt moyen (Nuavg) et la génération de l’entropie totale. Notamment, l’introduction de nanofluides améliore l’efficacité du transfert de chaleur dans des conditions spécifiques. L’amélioration la plus significative se produit dans les régimes d’écoulement dominés par la conduction, où les propriétés thermiques améliorées des nanofluides jouent un rôle crucial. Cependant, lorsque la convection domine le transfert de chaleur, les nanofluides n’améliorent pas significativement l’efficacité. De plus, la force de flottabilité augmente avec la température.

Cette étude du transfert de chaleur dans les nanofluides révèle des perspectives intrigantes. Le nombre de Rayleigh (Ra) améliore à la fois les nombres de Nusselt moyens et l’écoulement naturel par convection. De plus, des valeurs élevées de Ra rendent le nombre de Nusselt moyen plus sensible aux facteurs externes. La vitesse d’écoulement est réduite en appliquant la force de Lorentz dans la direction opposée à l’écoulement naturel. La section transversale de l’écoulement pénètre dans la cavité et circule de manière plus efficace à mesure que la valeur de Darcy (Da) augmente. La conception géométrique de la chambre a un impact considérable sur les performances de transfert de chaleur. De plus, l’installation de barrières internes et la modification de la taille de la cavité et de l’agencement de leurs parois étaient extrêmement critiques.

En résumé, les nanofluides offrent de grandes perspectives pour l’avancement de la technologie de transfert de chaleur. Cependant, une compréhension complète de l’interaction entre les différents facteurs est essentielle pour exploiter pleinement leur potentiel dans les applications pratiques.