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Scientific Reports volume 13、記事番号: 407 (2023) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

二重管熱交換器内の熱伝達率の向上は産業用途にとって重要です。 現在の研究では、二重管熱交換器内を流れるナノ流体流の熱伝達率に対する不均一磁場の使用が包括的に研究されています。 CFD の計算技術は、磁気源の存在下でのナノ流体の流体力学の視覚化に使用されます。 熱伝達に対する磁気強度とナノ流体速度の影響も示します。 磁気源を追加した非圧縮性ナノ流体の流れのモデル化には、単純なアルゴリズムが使用されます。 提示された結果は、磁気源が内管のギャップ内の循環の形成を強化し、その結果、領域内での熱伝達が強化されることを示しています。 異なる形状のチューブを比較すると、ナノ流体流の熱伝達の改善には三角形のチューブの方が効率的であることがわかります。 私たちの結果は、三角形の形状のチューブ内の熱伝達が他の構成よりも高く、その性能が滑らかなチューブよりも 15% 高いことを示しています。

熱伝達プロセスの管理は、最近の工学および産業システムおよびデバイスの開発にとって重要です1、2。 近年、絶縁のための技術や材料がいくつか使用され、発表されています。 熱伝達の低減はアイソレータを使用することで簡単に実現できますが、材料の制限により熱伝達の改善は容易ではありません。 一方、熱交換器や凝縮器などの工業用および工学用の機器や装置では、熱伝達の改善がより求められています3、4。 効率的な熱伝達の重要性により、機械エンジニアや研究者は、産業用途での熱伝達を向上させる新しいソリューションや材料を見つけようとしています5。

フィンの適用は、その簡単さと低コストにより広く使用されている最も一般的なアプローチです。 この方法では、熱源に隣接してフィンを追加することで、熱源と外部との接触表面積が増加します6、7。 いくつかの論文でこの技術の熱伝達率が研究されていますが、フィンを介した熱伝達の効率には限界があります。 形状効果は、熱伝達を高めるための昔ながらの方法とも考えられています8、9、10。

熱伝達における主な革新は、ベース流体にナノ粒子を添加することによって達成されます。 実際、主流体内のフェロ粒子の存在は、混合流体のフェロ特性により大幅に増加します11。 フェロナノ粒子を添加すると、混合流体の熱容量と熱伝導率が向上し、実際の用途における熱交換器の熱伝達効率が向上します12、13。 ナノ流体の熱伝達の理論的研究は、効率的な条件を得るために広く行われてきました。 過去数十年間で、数値流体力学の進歩により、学者は複雑な実際の産業用デバイスでナノ熱伝達モデリングをモデル化し、シミュレーションできるようになりました 14,15。 これらの研究は、溶融および沸騰現象のさまざまなプロセスにおけるナノフェロ粒子を含むベース流体の熱伝達のメカニズムに関する重要な結果を示しています。 彼らはまた、ナノ粒子を使用した場合と使用しない場合の CFD 法による相変化材料 PCM も調査しました 16,17。 これらの調査により、工業用途におけるナノ流体のさまざまな側面が明らかになりました18。

磁場の適用はまた、ナノ流体ストリームのフェロ粒子に加えられる力により、磁性流体の熱伝達を大幅に高める19,20。 この種の問題は主に、均一磁場と不均一磁場という 2 つの主要な部分に分けられます。 均一な磁場の効率はより不均一ですが、均一な磁場の生成はほとんど困難な作業であり、十分なスペースが必要です。 さらに、そのコストは、AC/DC電流を流れるワイヤの存在によって得られる不均一な磁場よりも高くなります。 産業用途における不均一磁場の単純さと低コストにより、このテーマは熱工学科学において魅力的です 21,22。 この特定の条件における熱伝達の測定技術は困難な作業であるため、不均一磁場の実験的研究は限られた研究で提示されてきました 23,24,25,26。 均一な磁場とは異なり、不均一な磁気ソースのシミュレーションには、モデリング プロセスの主な支配方程式にソース項を実装するための高度なスキルが必要です 27、28、29、30。 不均一な磁場の存在下での磁性流体の流れを報告した研究は限られています。 この研究では、図1に示すような不均一磁場の存在下で、ナノ粒子を含む水流のシミュレーションを調査します。

調査したモデル。

図1に示すように、磁性流体は、チューブの外側を流れる熱風からの熱伝達のための冷却剤として使用されます。 熱い流れの中には、磁性流体内の熱伝達を改善するための磁場の源であるワイヤーがあります。 この研究では、不均一な磁場源がシェルアンドチューブ熱交換器の熱伝達性能に及ぼす影響を視覚化することを試みています。 このタイプの熱交換器は最も便利であり、広く研究されています 31,32,33,34,35 が、不均一磁場の影響下でのこのタイプの性能については十分に議論されていませんでした。

現在の研究では、シェルアンドチューブ熱交換器の近くに磁気源が存在する場合の磁性流体の熱伝達効率を明らかにするために包括的な研究が行われています。 CFD の計算アプローチは、さまざまな動作条件における磁性流体の流体力学および熱特性のシミュレーションに使用されます。 熱伝達効率に対する磁気源と磁性流体の速度の影響を示します。 この記事では、インナーチューブのさまざまな形状についても調査します。 チューブに沿った磁性流体の温度変化が実証され、さまざまな条件で比較されます。

図 1 は、調査のために選択したモデルの概略図を示しています。 この図に示されているように、熱風は外側の領域 (シェル) から移動し、磁性流体は内側のチューブ (d) から逆方向に移動します。 シェルの内側には熱伝達を改善するための磁場を生成するワイヤーが入っています。 現在の研究では、さまざまな形状のチューブが研究されています。 信頼性の高い結果を得るために、選択したジオメトリの 3D モデルが選択されます。 ワイヤの存在により、図 2 に示すような不均一な磁場が発生します。次のセクションで、流れ構造に対する磁場の影響について詳しく説明します。

ワイヤーによる不均一磁場の分布。

図 3 は、選択したモデルに適用されたグリッドを示しています。 この図 22、23、36 に示すように、選択した 3D モデルで構造化グリッドが作成されます。 グリッドの研究は、さまざまなグリッド サイズと解像度を調べることによっても行われ、無次元温度の結果が図 4 で比較されています。提示された結果は、細かいグリッド (54 × 54 × 220) が将来の調査に受け入れられることを示しています。

適用されたグリッド (a) 3-D ビュー、(b) 断面図。

グリッドの勉強。

ナノ流体のベース流体は水であるため、エネルギー方程式を使用して RANS 方程式を解くと、妥当な結果が得られます 34、35、36、37。 磁場のシミュレーションでは、磁場の成分を運動量方程式のソース項に追加する必要があります。 ナノ流体の特性に対する磁場の影響は小さく、電気伝導度の理由から、ローレンツ力は磁力に比べて運動量方程式において実質的ではないと考えられます。 したがって、モデルの最終的な方程式は次のようになります。

項 \({F}_{K}\left(x\right)={\mu }_{0}M\frac{\partial H}{\partial x}\) と \({F}_{ K}\left(y\right)={\mu }_{0}M\frac{\partial H}{\partial y}\) は、選択された領域における磁気勾配の発生を示すケルビン力の成分です。 は、それぞれ x 方向と y 方向のケルビン体力の成分です。 Hx、Hy は x 方向と y 方向の磁場の成分であり、次のように決定されます。

現在、SIMPLEC アルゴリズムは 2 次風上数値スキームとともに使用されています 38、39、40。 このアルゴリズムは通常、ナビエ・ストークス方程式を解くために数値流体力学で使用されます。 このアルゴリズムは、SIMPLE アルゴリズムと同じ手順に従いますが、運動量方程式が操作されるというわずかな変更を加えて、SIMPLEC の速度補正方程式が SIMPLE で省略された項よりも重要でない項を省略できるようにします。 さらに、支配方程式を解くために有限体積計算流体力学コードが使用されており、コードの事実は前の記事で完全に明らかにされています。

選択したモデルに適用された境界条件も図 1 に表示されます。磁性流体の入口速度はレイノルズ数 = 80、100、120 に相当します。空気流の速度は Re = 1500 に相当します。 磁性流体の特性、空気およびガスを表 1 に示します。濃度 4% の Fe304 ナノ粒子を、磁性流体の製造用のベース流体と混合します。

得られた結果と実験作業との比較は検証として知られており、計算による研究やシミュレーションにおける重要なステップです。 熱流束が一定の単一管内の純水（Re = 1620）の熱伝達解析が行われ、図5aに示されています。 私たちの比較は、私たちの結果が Kim et al.41 の結果とよく一致していることを示しています。 TiO2 ナノ粒子 (24%) の存在下で選択したモデルと He らの実験データとの比較も行われます 42 (図 5b)。 実験研究との結果の偏差は 7% 未満であり、よく一致していることがわかります。

検証1.

選択したモデルの磁場のない場合のナノ流体流線の比較を図 6 に示します。循環はドメイン内の空洞の存在で生成されます。 循環のサイズは、正弦波壁を備えたモデルで顕著です。 これらの循環の形成により分離が生じ、壁とナノ流体の流れの間の熱伝達が増大します。

流線型の比較。

ナノ流体流線の構造に対する不均一な磁場の影響を図 7 に示します。図からわかるように、循環は 2 つの部分循環に分割され、熱伝達が増加します。 平滑管内の温度変化に対する磁場強度の影響を図8に示します。このモデルでは、ナノ流体流と空気のレイノルズ数はそれぞれ80と1500です。 磁気強度の増加により、管の中心への熱境界層が強化されることがわかります。 さらに、流線の影響は、チューブ断面の温度変化により顕著になります。

磁場が存在するチューブの中央部の流れ。

管中央部の無次元温度等高線 (a) Mn = 0、(b) \(Mn=1.088\times {10}^{6}\)、(c) \(Mn=2.22\times) {10}^{6}\)、(d) \(Mn=3.47\times {10}^{6}\)。

異なる強度の不均一な磁力の影響下での、選択した形状に沿ったヌッセルト数の比較を図 9 に示します。熱伝達の変化は、これらの形状および循環のサイズに正比例することが観察されます。空洞。 さらに、磁場の強さによってチューブ内の熱伝達が促進されます。 ヌッセルト数の最大値と最小値を比較すると、正弦波形状と方形形状の方が熱伝達の変動が最も大きいことがわかります。 また、Mn = 3.47e6 の磁場を適用すると、最大局所熱伝達が最大 30% 増加することが観察されます。

異なる磁力の存在下での (a) 単純管、(b) 正弦波、(c) 三角管、(d) 方形管に沿ったヌッセルト数の分布。

局所ヌッセルト数に対する入口レイノルズ数の影響を図 10 にプロットします。得られた結果は、熱伝達率が管に沿った周期的なサイクルによって低下することを示しています。 最大熱伝達値はより低い面積のセクションで発生し、最小値はより高い面積で認められます。 実際、これは主に、表面積が小さい部分ではナノ流体の速度が速いためです。 入口速度の影響は最大ヌッセルト数で顕著です。 一方、レイノルズ数が高い場合、最初の分離の位置は上流に移動します。

異なる入口速度が存在する場合の、(a) 単純管、(b) 正弦管、(c) 三角管、(d) 角管に沿ったヌッセルト数の分布。

管の中央部における速度分布に対する磁場の影響は、Ren = 80 および Rei = 1500 の場合について図 11 に示されています。得られた等高線は、磁場の強度が増すと速度分布がより均一になり、壁付近のナノ流体速度が増加することを示しています。フィールドは高いです。 また、磁力が強いと管中心部の最大速度値が低下します。

管の中央部の速度等高線 (a) Mn = 0、(b) \(Mn=1.088\times {10}^{6}\)、(c) \(Mn=2.22\times {10} ^{6}\)、(d) \(Mn=3.47\times {10}^{6}\)。

異なる磁力とチューブの形状に対するナノ流体の流れの温度変化を図 12 に示します。温度の変化は、磁場の主な影響がチューブの中心付近の温度にあることを示しています。 また、平滑管を変形管（角管、正弦管、三角管）に変更することにより、温度値が大幅に上昇します。 磁場のない異なる形状に対する管に沿ったヌッセルト数の変化 (図 13) もこの発見を裏付けています。

異なる磁場の存在下での温度の半径方向分布 (a) 単純、(b) 正弦波、(c) 三角管、(d) 角管。

磁場のない管に沿ったヌッセルト数の比較。

選択した形状の熱伝達性能を図 14 で比較します。これらの形状の平均ヌッセルト数の変化は、三角形のチューブが他の形状より効率的であることを示しています。 このモデルの平均ヌッセルト数はスムースチューブよりも 15% 増加しています。

さまざまなタイプの管壁の平均ヌッセルト数の評価。

本研究では、不均一な磁場の存在下で内管内部のナノ流体流の熱伝達性能に及ぼす管プロファイルの影響を十分に調査した。 本研究では、管内の流れ構造と境界層分布の解析により、熱伝達の主なメカニズムを明らかにすることを試みました。 ナノ流体の流れのシミュレーションには、ワイヤの磁場に関連する追加のソース項を使用して RANS 方程式を解く計算技術が使用されます。 磁場が不均一であるため、ソース項の追加は x 方向と y 方向の両方で行われます。 磁気強度と流入速度が平均および局所ヌッセルト数に及ぼす影響を十分に調査しました。 この研究では、管壁の 3 つの形状 (正弦波、正方形、三角形) を調査します。 私たちの調査により、チューブの空洞内の循環の生成が局所的な熱伝達に重要な役割を果たしていることがわかりました。チューブの形状を比較すると、三角形の形状のチューブの熱効率が他の形状よりも高く、その性能が15であることが示されています。 %以上の滑らかなチューブ。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。

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イスラム・アザド大学バンダル・アンザリ支部機械工学科、バンダル・アンザリ、イラン

Y. アジジ、M. バラムクー、A. カゼミ

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YA と MB が本文を書き、AK が図を作成しました。 著者全員が原稿をレビューしました。

M. Bahramkhoo への通信。

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転載と許可

Azizi, Y.、Bahramkhoo, M.、Kazemi, A. 二重管熱交換器におけるナノ流体の熱効率流体力学特性に対する不均一磁場の影響。 Sci Rep 13、407 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-26285-w

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受信日: 2022 年 10 月 16 日

受理日: 2022 年 12 月 13 日

公開日: 2023 年 1 月 9 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26285-w

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