Published May 1, 2021
| Version v1
Publication
Open
Conjugate heat transfer performance of stepped lid-driven cavity with Al2O3/water nanofluid under forced and mixed convection
Creators
- 1. Koneru Lakshmaiah Education Foundation
- 2. Karunya University
- 3. Vellore Institute of Technology University
- 4. King Mongkut's University of Technology Thonburi
Description
Abstract Two-dimensional conjugate heat transfer performance of stepped lid-driven cavity was numerically investigated in the present study under forced and mixed convection in laminar regime. Pure water and Aluminium oxide (Al 2 O 3 )/water nanofluid with three different nanoparticle volume concentrations were considered. All the numerical simulations were performed in ANSYS FLUENT using homogeneous heat transfer model for Reynolds number, Re = 100 to 500 and Grashof number, Gr = 5000, 13,000 and 20,000. Effective thermal conductivity of the Al 2 O 3 /water nanofluid was evaluated by considering the Brownian motion of nanoparticles which results in 20.56% higher value for 3 vol.% Al 2 O 3 /water nanofluid in comparison with the lowest thermal conductivity value obtained in the present study. A solid region made up of silicon is present underneath the fluid region of the cavity in three geometrical configurations (forward step, backward step and no step) which results in conjugate heat transfer. For higher Re values (Re = 500), no much difference in the average Nusselt number (Nu avg ) is observed between forced and mixed convection. Whereas, for Re = 100 and Gr = 20,000, Nu avg value of mixed convection is 24% higher than that of forced convection. Out of all the three configurations, at Re = 100, forward step with mixed convection results in higher heat transfer performance as the obtained interface temperature is lower than all other cases. Moreover, at Re = 500, 3 vol.% Al 2 O 3 /water nanofluid enhances the heat transfer performance by 23.63% in comparison with pure water for mixed convection with Gr = 20,000 in forward step.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
تم فحص أداء نقل الحرارة المترافق ثنائي الأبعاد للتجويف المدرج المدفوع بالغطاء عدديًا في الدراسة الحالية تحت الحمل الحراري القسري والمختلط في النظام الصفحي. تم النظر في الماء النقي وأكسيد الألومنيوم (Al 2 O 3 )/السائل النانوي المائي مع ثلاثة تركيزات مختلفة لحجم الجسيمات النانوية. تم إجراء جميع عمليات المحاكاة العددية في ANSYS بطلاقة باستخدام نموذج نقل الحرارة المتجانس لعدد رينولدز، Re = 100 إلى 500 ورقم Grashof، Gr = 5000 و 13000 و 20000. تم تقييم الموصلية الحرارية الفعالة للسائل النانوي Al 2 O 3 /water من خلال النظر في الحركة البراونية للجسيمات النانوية مما يؤدي إلى قيمة أعلى بنسبة 20.56 ٪ لـ 3 حجم.٪ Al 2 O 3 /water nanofluid مقارنة بأقل قيمة موصلية حرارية تم الحصول عليها في هذه الدراسة. توجد منطقة صلبة تتكون من السيليكون تحت منطقة السائل في التجويف في ثلاثة تكوينات هندسية (خطوة إلى الأمام، خطوة إلى الخلف ولا توجد خطوة) مما يؤدي إلى نقل مترافق للحرارة. بالنسبة لقيم Re الأعلى (Re = 500)، لا يوجد فرق كبير في متوسط عدد نوسيلت (Nu متوسط ) بين الحمل الحراري القسري والمختلط. في حين أنه بالنسبة لـ Re = 100 و Gr = 20000، فإن قيمة متوسط Nu للحمل الحراري المختلط أعلى بنسبة 24 ٪ من قيمة الحمل الحراري القسري. من بين جميع التكوينات الثلاثة، عند Re = 100، تؤدي الخطوة للأمام مع الحمل الحراري المختلط إلى أداء أعلى لنقل الحرارة حيث أن درجة حرارة الواجهة التي تم الحصول عليها أقل من جميع الحالات الأخرى. علاوة على ذلك، عند Re = 500، 3 حجم.٪ Al 2 O 3 /المائع النانوي المائي يعزز أداء نقل الحرارة بنسبة 23.63 ٪ مقارنة بالماء النقي للحمل الحراري المختلط مع Gr = 20000 في الخطوة الأمامية.Translated Description (French)
Résumé Les performances de transfert de chaleur conjugué bidimensionnel de la cavité à couvercle étagé ont été étudiées numériquement dans la présente étude sous convection forcée et mixte en régime laminaire. L'eau pure et l'oxyde d'aluminium (Al 2 O 3 )/nanofluide d'eau avec trois concentrations volumiques de nanoparticules différentes ont été considérés. Toutes les simulations numériques ont été effectuées dans ANSYS FLUENT en utilisant un modèle de transfert de chaleur homogène pour le nombre de Reynolds, Re = 100 à 500 et le nombre de Grashof, Gr = 5000, 13 000 et 20 000. La conductivité thermique efficace du nanofluide Al 2 O 3 /eau a été évaluée en tenant compte du mouvement brownien des nanoparticules, ce qui donne une valeur 20,56 % plus élevée pour 3 % en volume de nanofluide Al 2 O 3 /eau par rapport à la valeur de conductivité thermique la plus faible obtenue dans la présente étude. Une région solide composée de silicium est présente sous la région fluide de la cavité dans trois configurations géométriques (pas vers l'avant, pas vers l'arrière et pas de pas), ce qui entraîne un transfert de chaleur conjugué. Pour des valeurs Re plus élevées (Re = 500), on n'observe pas beaucoup de différence dans le nombre de Nusselt moyen (Nu moy ) entre la convection forcée et la convection mixte. Alors que, pour Re = 100 et Gr = 20 000, la valeur moyenne Nu de la convection mixte est supérieure de 24 % à celle de la convection forcée. Sur les trois configurations, à Re = 100, le pas vers l'avant avec convection mixte entraîne des performances de transfert de chaleur plus élevées car la température d'interface obtenue est inférieure à tous les autres cas. De plus, à Re = 500, 3 % en volume de nanofluide Al 2 O 3 /eau améliore les performances de transfert de chaleur de 23,63 % par rapport à l'eau pure pour la convection mixte avec Gr = 20 000 en marche avant.Translated Description (Spanish)
Resumen El rendimiento de transferencia de calor conjugado bidimensional de la cavidad accionada por tapa escalonada se investigó numéricamente en el presente estudio bajo convección forzada y mixta en régimen laminar. Se consideró agua pura y óxido de aluminio (Al 2 O 3 )/nanofluido de agua con tres concentraciones de volumen de nanopartículas diferentes. Todas las simulaciones numéricas se realizaron en ANSYS FLUENT utilizando un modelo de transferencia de calor homogéneo para el número de Reynolds, Re = 100 a 500 y el número de Grashof, Gr = 5000, 13,000 y 20,000. La conductividad térmica efectiva del Al 2 O 3 /nanofluido de agua se evaluó considerando el movimiento browniano de las nanopartículas que resulta en un valor 20.56% más alto para 3 vol.% Al 2 O 3 /nanofluido de agua en comparación con el valor de conductividad térmica más bajo obtenido en el presente estudio. Una región sólida compuesta de silicio está presente debajo de la región fluida de la cavidad en tres configuraciones geométricas (paso hacia adelante, paso hacia atrás y sin paso) que da como resultado la transferencia de calor conjugada. Para valores más altos de Re (Re = 500), no se observa mucha diferencia en el número medio de Nusselt (Nu avg ) entre la convección forzada y mixta. Mientras que, para Re = 100 y Gr = 20.000, el valor promedio de Nu de la convección mixta es un 24% mayor que el de la convección forzada. De las tres configuraciones, en Re = 100, el paso hacia adelante con convección mixta da como resultado un mayor rendimiento de transferencia de calor, ya que la temperatura de la interfaz obtenida es menor que en todos los demás casos. Además, a Re = 500, el 3% en volumen de Al 2 O 3 /nanofluido de agua mejora el rendimiento de transferencia de calor en un 23,63% en comparación con el agua pura para convección mixta con Gr = 20.000 en el paso hacia adelante.Files
s42452-021-04592-7.pdf.pdf
Files
(3.2 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:05f1b61098b885ad957d9484edd45312
|
3.2 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- أداء نقل الحرارة المقترن للتجويف المدفوع بالغطاء المتدرج مع السائل النانوي Al2O3/الماء تحت الحمل الحراري القسري والمختلط
- Translated title (French)
- Performance de transfert de chaleur conjuguée de la cavité à couvercle étagé avec le nanofluide Al2O3/eau sous convection forcée et mixte
- Translated title (Spanish)
- Rendimiento de transferencia de calor conjugado de la cavidad accionada por tapa escalonada con Al2O3/nanofluido de agua bajo convección forzada y mixta
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3157539313
- DOI
- 10.1007/s42452-021-04592-7
References
- https://openalex.org/W1985261292
- https://openalex.org/W1990664180
- https://openalex.org/W2002728487
- https://openalex.org/W2002948299
- https://openalex.org/W2010364254
- https://openalex.org/W2021041911
- https://openalex.org/W2025306236
- https://openalex.org/W2051623369
- https://openalex.org/W2058135277
- https://openalex.org/W2069089271
- https://openalex.org/W2074370912
- https://openalex.org/W2082443400
- https://openalex.org/W2087706765
- https://openalex.org/W2093603205
- https://openalex.org/W2118356593
- https://openalex.org/W2118753970
- https://openalex.org/W2140046728
- https://openalex.org/W2321870030
- https://openalex.org/W2525844815
- https://openalex.org/W2591607062
- https://openalex.org/W2598514562
- https://openalex.org/W2611702984
- https://openalex.org/W2641822147
- https://openalex.org/W2743003212
- https://openalex.org/W2775309833
- https://openalex.org/W2791223975
- https://openalex.org/W2902231161
- https://openalex.org/W2906934138
- https://openalex.org/W2960743855
- https://openalex.org/W2983265189
- https://openalex.org/W3022021067
- https://openalex.org/W3033016238
- https://openalex.org/W3042827073
- https://openalex.org/W3043533306
- https://openalex.org/W3047074338
- https://openalex.org/W3081544684
- https://openalex.org/W3087618053
- https://openalex.org/W3090958340