Numerical analysis of turbulent flow and heat transfer with nanofluid in elliptical cross-sectioned duct

Abstract

In this study, varying major to minor axis ratio in an elliptic tube has been investigated numerically under the steady state, forced convection with turbulent heat flow conditions. Constant wall temperature was applied to tube wall. Mainly, hydrodynamically and thermally developed turbulent flow has been investigated. To obtain fully turbulent flow, study was performed Reynolds numbers between 10000 and 100000. Water was used as working fluid in the first part of study. ANSYS Fluent 17.0 tool was used for all simulations. After the end of numerical results, average Nusselt numbers and average friction factors were obtained and they were compared with correlations which are commonly used in the literature. Al2O3 / Water nanofluid was used as working fluid in the second part of study and all simulations were repeated. It is noticed that using of nanofluid increases average Nusselt number significantly. However, it leads to an increase in pressure drop inside the tube. As a result, it causes an increase in average friction factor. According to the results of the study, using of nanofluid increases average Nusselt number almost 13% in all models. At the same time, it causes an increase in average friction factor around 1.7%. It is noticed that different major to minor axis ratios have no significant effect on average Nusselt number and average friction factor. Also, correlations in the form of 𝑁𝑢=𝑎1 ×𝑅𝑒𝑏1 and 𝑓=𝑎2×𝑅𝑒𝑏2 are obtained for average Nusselt number and average friction factor in all models.

Bu çalışmada, a / b oranları değişen eliptik kesitli kanal içerisindeki zorlanmış taşınım ve ısı transferi türbülanslı akış koşullarında nümerik olarak incelenmiştir. Kanal duvarına sabit yüzey sıcaklığı sınır şartı uygulanmıştır. Genel olarak hidrodinamik ve ısıl olarak gelişmiş olan türbülanslı akış şartları kararlı rejim koşullarında incelenmiştir. Tam türbülanslı akış koşullarını elde edebilmek için çalışma, 10000 ile 100000 aralığındaki farklı Reynolds Sayılarında gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın ilk bölümünde akışkan olarak su kullanılmıştır. Nümerik analizler ANSYS Fluent 17.0 paket programında yapılmıştır. Nümerik analizler sonucu elde edilen ortalama Nusselt sayıları ve ortalama sürtünme faktörleri literatürde bulunan başka bağıntılar ile kıyaslanmıştır.Çalışmanın ikinci kısmında, akışkan olarak Al2O3 / Su nanoakışkanı kullanılıp, tüm hesaplamalar tekrar edilmiştir. Nanoakışkanın ortalama Nusselt sayısını önemli ölçüde arttırdığı görülmüştür. Ancak nanoakışkan kullanımı içerideki basınç düşümünü de arttırmıştır. Dolayısıyla sürtünme katsayısında da artışa sebep olmuştur. Çalışma sonucunda, nanoakışkan kullanımıyla beraber ortalama Nusselt sayısı tüm modellerde %13 artmıştır. Öte yandan sürtünme katsayısı da aynı şekilde yaklaşık olarak % 1.7 artmıştır. Eliptik kanal için değişen a / b oranlarının ortalama Nusselt sayısı ve Darcy friction factorleri için önemli bir etkisi olmadığı görülmüştür. Ayrıca ortalama Nusselt sayısı için, 𝑁𝑢=𝑎1 ×𝑅𝑒𝑏1 ve ortalama Darcy sürtünme faktörü için 𝑓=𝑎2×𝑅𝑒𝑏2 formunda bağıntılar tüm modeler için elde edilmiştir.