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纳米流体在突然膨胀和收缩管道内流经球形热源后的熵产分析

a伊朗马什哈德费多西大学机械工程系

b伊朗德黑兰大学新科技学院

c伊朗马什哈德费多西大学先进技术中心

d流体力学、热工程和多相流研究实验室（未来实验室），机械工程系，泰国曼谷，10140，通布理工大学

e沙特阿拉伯达赫兰31261国王法赫德石油矿产大学（Kfupm）机械工程系

文章信息

文章历史：2017年6月27日收到 2017年9月24日修订完成 2017年9月25日收录 2017年9月30日刊登

摘要：本文研究了CuO /H20纳米流体在球形热源上的熵产，球形热源安装在一个突然膨胀和收缩的圆柱形通道内。熵产生率的估计:首先，在数值上求解控制方程，以便找到流动稳定和层流时的速度场以及温度场。接下来，使用模拟数据的方法，在理论上计算熵产。同时本文研究了纳米流体浓度，纳米粒子尺寸，阻塞率和雷诺数对熵产生的影响。该研究的结果阐明熵产随着纳米颗粒体积分数和热源表面温度的增加而增加。另一方面，研究发现通过细化纳米颗粒并降低阻塞率可以降低熵产。在这项研究中，还提出了一个新的关联式来计算努塞尔数，它是一个关于雷诺数，普朗特数和阻塞率的函数。

关键词：熵产 纳米流体 球形热源 阻塞率 纳米粒子尺寸

1.简介

在过去的十年中，“纳米流体”一直是传热学和热工学领域内的学者以及工程师们十分关注的一个术语。纳米流体的潜力已经被评估为有利于增强各种热力系统的性能，如光伏/热系统[1-3]，太阳能集热器[4-9]，海水淡化系统[10]，微通道[11,12]，汽车散热器[13]，和机械加工[14]。关于纳米流体的性质以及应用的文献中有许多的评论文章，这些论文可以为感兴趣的研究者提供丰富的资源（参见例如[15-18]）。随着纳米流体应用的发展，基于纳米流体的系统的热力学分析已成为系统设计过程的重要组成部分。熵产最小化是一种动力学方法，可以优化其他设备的性能。Singhet等人[19]开始研究纳米流体系统中的熵产。2010年，Singhet等人开始研究Al2O3/H20纳米流体在三种不同数量级的通道中的熵产，包括微小型通道，微型通道和常规通道。他们指出，从热力学第二定律观点来看，在流动为层流的微型通道中使用纳米流体是不利的。另一方面，他们发现当纳米流体在雷诺数Re较高的状态（即湍流状态时）下在常规通道中流动时，熵产增加。Mahian等人[20,21]总结了不同结构和条件下纳米流体熵产的主要研究（从2010年至2014年）。在这里，我们简要地回顾了最近的研究。 2015年，Anand 等人[22]分析研究了Al2O3基纳米流体在管道内流动的熵产，在研究分析中其纳米流体浸入雷诺数Re达到4500的等温流体中。他们在研究中考虑了两种基液，包括水和乙二醇。结果表明，在雷诺数较高和粘度较高的基础流体的情况下，从热力学第二定律观察到颗粒负载是不利的。 Siavashi等人[23]研究了多孔介质以及Al2O3 /水纳米流体对环空中传热和熵产的影响。他们指出，为了使不同纳米流体浓度的熵产最小化，可以获得一个最佳的多孔层的厚度。Ebrahimi等人[24]发现，在矩形截面的微通道散热器中使用纳米流体，并配备涡流发生器，可以减少熵的产生。Siavashi和Jamali[25]使用两相混合模型研究了环空中氧化钛/水纳米流体湍流流动产生的熵。研究结果表明，通过调节纳米流体的质量流动速率，可以使熵的产生最小化。Cho等人[26]发现随着分散在水中的Al2O3纳米颗粒体积分数的增加，波状空腔内自然对流产生的熵减小。Bahiraei和Alighardashi等人[27]研究了在恒定的热流边界条件下，在狭窄的环形空间内流动的基于二氧化钛的非牛顿纳米流体的熵的产生。他们报告了在高温流下通过粒子加载减少熵的产生，而对于低热流值，纯基流体提供较低水平的不可逆性。Ibaacute;ntilde;ez等人[28]通过考虑热辐射、抽吸和注入以及滑动流，将磁流体动力（MHD）流下多孔微型通道中Al2O3/水纳米流体产生的熵降到了最低。Cho等人[29]评估了由于波纹腔内铜/水纳米流体的自由对流，磁流体动力（MHD）流对熵产的影响。

Malik和Nayak[30]对充满铜/水纳米流体和多孔介质的方形空腔中的磁流体动力（MHD）流对熵的产生的影响进行了数值方面的研究。他们认为一部分左壁的温度与时间有关，而一部分右壁的温度保持在低温状态。他们发现，随着纳米流体浓度的增加，热传导率与熵产生率的比值增加。Torabi等人[31]研究了多孔通道中的Al2O3/水纳米流体，多孔通道配致有不同布置的肋条。他们发现增加纳米颗粒的体积分数会降低不可逆性。感兴趣的读者可以参考其他有关纳米流体对不同几何形状和流动状态下熵的产生的影响的研究，例如参见参考文献。[32—37]。

本文通过数值和理论相结合的方法，研究了CuO/水纳米流体在通道内热球形块体上突然膨胀和收缩时产生的熵。这种流动在 工业中有许许多多的应用，特别是在化学反应器中[38]。本文研究了雷诺数、纳米流体浓度、纳米颗粒尺寸以及堵塞率等参数对熵产生的影响。除熵生成分析外，还提出了一种考虑不同阻塞率的修正方法，并提出了一种估计通道内努塞尔数的方法。

2.问题描述与数值求解

本文所考虑的问题如图1所示，其中直径D的球形热源被放置在长度2L的圆柱形管道内，形成突然膨胀和收缩。进出口区域分别为两条长为L/2，直径为D/2的管道。对于本问题研究中的分析，我们假设管道长度是固定的，而热源的直径是可变的。

图1：管道的几何结构，中间有一个球形热源

假设纳米流体是不可压缩且均匀的流体，则管道内纳米流体流动的控制方程为:

连续性：

(1)

其中V是流体的流动速度。

动量：

(2)

其中、以及分别是纳米流体的密度、粘度和压力。

能量：

(3)

其中、以及分别是纳米流体的比热容、温度和粘性耗散。粘性耗散展开为：

(4)

计算域和边界条件如图2所示。其中速度值指定在入口边界，而出口边界使用压力出口的边界条件。管道的所有实体边界均采用无滑移边界条件。由于对称性的原因，在模拟中只考虑一次圆柱形通道的切片。入口温度假定为常数，通道壁面被假设成是绝热的。通过利用Fluent软件对不同工况进行了数值模拟。

图2：计算域

2.1纳米流体性质

根据以下相关性计算纳米流体的性质；表1中列出的纳米流体的这些性质在295–315 K的温度范围内被认为是恒定的。

表1：纳米流体的物理性质

密度：

. (5)
比热容：

Xuan和Roetzel[39]列出了以下的方程式来求取纳米流体的比热容：

. (6)

其中式（5）给出了如何计算。

粘度：Masoumi等人[40]高精度地预测了纳米流体的有效粘度。他们的模型是：

, (7a)

其中：

, (7b)

, (7c)

, (7d)

其中：

，

，

，

.

与爱因斯坦、布林克曼、格雷厄姆和巴切勒模型相比，该模型具有更高的精度和准确度[40]。本研究中加入了与Masoumi等人使用的相同的纳米颗粒（CuO）、相同的纳米颗粒直径和体积浓度。热导率：Vajjha和Das[41]提出的最精确的纳米流体热导率方程之一，是经过Koo和Kleinstreuer[42]提出的修正建议后修

资料编号：[3890]