وثيقة

Flow dynamics of nanofluids inside a circular enclosure.

الناشر
Sultan Qaboos University
ميلادي
2017
اللغة
الأنجليزية
الموضوع
الملخص الإنجليزي
In the past decade, quick developments in nanotechnology have created quite a lot of prospect for the scientists and engineers to check up. Nanofluid is one of the amazing consequences of such progression. Nanofluids are engineered by suspending nanoparticles in traditional heat transfer fluids. Nanofluids are considered to offer important advantages over conventional heat transfer fluids. In the beginning of the thesis, the wide-ranging fundamental evolutions of nanofluids have been discoursed thoroughly by sketching out a gargantuan depiction of the diminutive biosphere of nanofluids through a brief review of some chronological foremost milestone, and potential applications and benefits of nanofluids. Also, different kinds of modeling and very important slip mechanisms of constructing heat transfer modeling of nanofluids have been discussed comprehensively. The amazing results of research and tremendous research opportunities have been found while reviewing. As a result, new mathematical equations have been established theoretically for electrical conductivity, and thermophoretic velocity, thermal diffusion coefficient as well as the mass flux equations in nanofluid which can be used for general transport of nanofluid modeling. The result of the thermal diffusion coefficient is justified by the experimental findings. One of the main objectives of this study is to investigate the convective heat transport within enclosures numerically. Hence, the basics of convective heat transfer are demonstrated briefly along with the standard fluid dynamics equations. A broad picture of convective heat transfer models in nanofluids that had been developed theoretically in recent years has been presented. The limitations of the existing models are manifested. A new mathematical model called nonhomogeneous dynamic model of nanofluids had been developed to tackle the limitations. For solving two-dimensional incompressible natural convective flow of nanofluids in an enclosure using nonhomogeneous dynamic model, the Galerkin weighted residual technique of finite element method is employed. The detailed procedures of this method over the nonhomogeneous dynamic model are discussed and calculated for the first time. In this study, considering research scope and practical applications, the circular enclosures have been simulated using the nonhomogeneous dynamic model, and the Galerkin weighted residual finite element method. The five series of the separate problems have been set up and successively solved. The problem of two-dimensional transient convective flow and heat transfer in quarter-circular, semi-circular, semi circular annulus and horizontal cylindrical annulus shaped geometry utilizing nanofluids have been inspected, Separate boundary conditions are adopted in each problem. Also, the heat transfer performances for different types of thermal boundary conditions have been examined. The numerical treatment of the singularity at the hot and cold junction has been studied. Different types of nanofluids have been considered for the analysis. The problem of convective heat transport within quarter-circle and horizontal cylindrical annulus has been investigated along with the oriented applied magnetic field. Different shapes of the thermal boundary of the geometry for the heat transfer performance have been analyzed. The effects of the sizes, shapes and amount of nanoparticle in the suspension and different pertinent parameters of the problem such as the thermal Rayleigh number, the solutal Rayleigh number, Hartmann number, magnetic field inclination angle have been analyzed. Comparisons of heat transfer enhancement are made with the numerical as well as the experimental data available ature. The results are displayed in terms of streamlines, isotherms. isoconcentrations, and the local and average Nusselt numbers, The results show that 1-10 nm şize nanoparticles are uniform and stable in the suspension within the quarter-circular and semi-circular enclosure while 1-20 nm size nanoparticles are stable in an annulus shaped geometry. The external magnetic field and its direction control the flow pattern of nanofluid significantly. The average Nusselt number increases significantly, as magnetic field inclination angle, and Rayleigh number increases while it decreases with the increase of magnetic field parameter. The average Nusselt number increases significantly with the increase of the nanoparticle volume fraction as well as with different shape factors of nanoparticles, whereas it decreases remarkably with the increase of nanoparticles diameter. The dissemination of temperature gradient magnitude with respect to the solid volume fraction is reciprocally proportional to the dissemination of local Nusselt number. It is also found that the inner shape of the annulus significantly affects the thermal flow as well as the Nusselt number, Finally, the thermal instability analysis for the natural convective heat transport in a horizontal nanofluid filled layer using nonhomogeneous dynamic model has been ated. The solutions with respect to the wide-ranging parameters of the problems in the current study are tested whether they are stable or unstable. It is found that the system is eventually stable for the increasing values of thermal Rayleigh number and solutal Rayleigh number. The higher wave number assists the system to remain stable. Adding nanoparticles to base fluid increases the stable region of the system. The heat transfer of the system is unstable initially in a small period of time, and then it becomes stable in rest of times.
الملخص العربي
لقد ساهمت التطورات السريعة التي شهدها علم تقنية النانو في العقود الماضية في فتح آفاقا واسعة أمام العلماء والمهندسين للبحث في هذا المجال، وتعد الموائع النانوية واحدة من النتائج المذهلة المرتبطة بهذه التطورات. ويتم إنتاج الموائع النانوية من خلال إضافة جسيمات نانوية إلى الموائع التقليدية التي تدعم الانتقال الحراري، وتعتبر الموائع النانوية قادرة على توفير مزايا إضافية للانتقال الحراري مقارنة بالموائع التقليدية. وقد تم في بداية هذا البحث مناقشة التطورات الأساسية للموائع النانوية بشكل واسع ودقيق من خلال استعراض هذه التطورات وفق ترتيبها الزمني واستعراض التطبيقات والفوائد المهمة للموانع النانوية. كما تم استعراض مناقشة مكثفة للنماذج الرياضية المختلفة وآليات انزلاق المهمة المستخدمة في صياغة نماذج انتقال الحرارة للموانع النانوية وقد أسفرت عملية البحث في التطورات التي شهدتها الموائع النانوية عن وجود نتائج قيمة مع وجود فرص عديدة للبحث في هذا المجال. وبناء عليه، فقد تم صياغة معادلات رياضية جديدة للموصلية الكهربائية، وسرعة الناقلية الحرارية، ومعامل تدفق الحرارة ومعدل تدفق الكتلة في الموائع النانوية والتي من الممكن استخدامها في نمذجة حركة الموائع النانوية بشكل عام. وقد تم التحقق من نتيجة معامل التدفق الحراري بمقارنتها بنتائج التجارب العملية. ونظرا لأن من أحد الأهداف الأساسية لهذه الدراسة هو دراسة انتقال الحرارة الحملي داخل حاويات مختلفة باستخدام الطرق العددية، فقد تم تقديم عرض موجز لانتقال الحرارة الحملي إضافة الى معادلات الديناميكا الأساسية للموائع. وتم عرض النماذج الرياضية المستخدمة في انتقال الحرارة الحملي للموانع النانوية التي تم استحداثها في السنوات الأخيرة الماضية واستعراض الفرضيات التي تحد من استخدامها. ولمعالجة هذه المحددات أو النواقص فقد تم استحاث نموذج رياضي جديد سمي بالنموذج الديناميكي غير المتجانس للموائع النانوية، وقد تم استخدام هذا النموذج لدراسة تدفق الحمل الطبيعي للموائع النانوية غير القابلة للانضغاط في حاوية ثنائية البعد وقد تم حل النموذج بتطبيق أحد تقنيات الطرق العددية المعروفة بتقنية جالاركن للموزون المتبقي في طريقة العناصر المنتهية أو المحددة. وقد تم عرض طرق الحل العددية باستخدام هذا النموذج بشكل مفصل للمرة الأولى في هذه الدراسة، وبعد أن تم اخذ مجال البحث وتطبيقاته العملية بعين الاعتبار، تمت محاكاة حركة الموائع النانوية في حاوية دائرية باستخدام النموذج الديناميكي غير المتجانس وباستخدام تقنية جالاركن للموزون المتبقي المستخدمة في طريقة العناصر المحددة، حيث تمت دراسة خمس قضايا منفصلة في هذا المجال وقد تم حلها بنجاح. وتحديدا تم دراسة التدفق الحملي العابر والانتقال الحراري للموائع النانوية في حاويات هندسية ثنائية البعد وهي شكل هندسي ربع دائري، ونصف دائري، وطوق نصف دائري وطوق أسطواني افقي. كمت تمت دراسة تأثير المجال المغناطيسي في بعض الحالات. وتم أيضا دراسة الانتقال الحراري في ظل وجود ظروف حرارية مختلفة على حدود الحاويات الهندسية. كما دراسة تأثير حجم وشكل وكمية الجسيمات النانوية لإضافة إلى تأثير العوامل الفيزيائية المختلفة مثل عدد ريليه (Rayleigh Number)، وعدد هارتمان (Hartmann Number)، وتائير زاوية ميل المجال المغناطيسي. وتم مقارنة نتائج الدراسة فيما يتعلق بتعزيز الانتقال الحراري بالنتائج السابقة التي تم الحصول عليها باستخدام الطرق العددية أو من خلال التجارب العملية. كما تم عرض النتائج المتعلقة بالخطوط الانسيابية السرعة وخطوط تساوي الحرارة وخطوط تساوي التركيز وقيم ارقام نشلت (Nusselt Number) المحلية والمتوسطة وقد أظهرت نتائج الدراسة أن الجزيئات النانوية بحجم 1 - 10 نانومتر تكون منتظمة وثابتة في المعلق داخل الحاويات ذات الشكل الهندسي الربع دائري أو النصف دائري، بينما الجزيئات النانوية بحجم 1 - 20 نانومتر تكون ثابتة في الأشكال الهندسية ذات الطوق، كما أظهرت النتائج أن المجال المغناطيسي الخارجي واتجاهه يتحكمان في نمط تدفق الموائع النانوية بشكل ملحوظ وأن متوسط رقم نشلت يزداد بشكل ملحوظ بزيادة كل من زاوية المجال المغناطيسي ورقم ريليه (Rayleigh Number) ونسبة الجزيئات النانوية، بينما يتناقص بزيادة كل من المجال المغناطيسي وقطر الجزيئات النانوية. وكذلك انتثار قيم تغير الحرارة بالنسبة لنسبة حجم الجزء الصلب يتناسب عكسيا مع انتشار قيم رقم نشلت (Nusselt number) المحلي. وأظهرت النتائج أيضا أن الشكل الداخلي للطوق الهندسي يؤثر بشكل كبير على تدفق الحرارة وعلى رقم نشلت.
وفي نهاية هذه الدراسة، تم تحليل الثبات أو الاستقرار الحراري لانتقال الحمل الحراري الطبيعي في طبقة موائع نانوية أفقية باستخدام النموذج الديناميكي غير المتجانس، حيث تمت دراسة مدى ثبات واستقرار نتائج الدراسة في ظل وجود عوامل متعددة اشتملت عليها القضايا الفيزيائية المطروحة في الدراسة. وأظهرت نتائج التحليل استقرار النتائج مع ازدياد قيم ريليه الحرارية (Thermal Rayleigh Number) وقيم ريليه المذابة ( Solutal Rayleigh Number)، كما أن القيم الموجية العالية تساعد على بقاء النتائج مستقرة، وأن إضافة جزيئات نانوية اللسائل الأساس يزيد من منطقة الثبات او الاستقرار، كما أظهرت النتائج أن عملية انتقال الحرارة تكون بداية غير مستقرة لفترة قصيرة من الزمن ومن ثم تصبح مستقرة مع مرور الوقت.
قالب العنصر
الرسائل والأطروحات الجامعية

مواد أخرى لنفس المؤلف

الرسائل والأطروحات الجامعية
0
0
Jashim Uddin, Muhammd.
Sultan Qaboos University
2017