Национальный исследовательский Томский государственный университет
Исследование конвективного тепломассопереноса в условиях теплообмена излучением играет важную роль при решении множества инженерных задач, например, при проектировании роторных теплообменников [1], солнечных концентраторов [2], систем охлаждения электронной аппаратуры [3].
Целью настоящей работы является математическое моделирование конвективно-радиационного теплопереноса во вращающейся дифференциально-обогреваемой кубической полости, заполненной диатермичной средой.
Кубическая полость (рис. 1) заполнена ньютоновской жидкостью, удовлетворяющей приближению Буссинеска. Система вращается против часовой стрелки с постоянной угловой скоростью ξ0 вокруг оси x, проходящей через центр области решения. Левая стенка нагревается при температуре Th, правая охлаждается при температуре Tc, остальные стенки являются адиабатическими. Среда считается прозрачной для излучения, внутренние поверхности стенок являются серыми излучателями и отражателями энергии теплового излучения.
Система дифференциальных уравнений Обербека–Буссинеска записана в безразмерном виде с использованием переменных «векторный потенциал – вектор завихренности». Сформулированная краевая задача решена методом конечных разностей на равномерной сетке.
Исследовано влияние вращения и теплового излучения на гидродинамику и теплоперенос. Отдельно проанализирован вклад переносной силы инерции в формирование полей скорости и температуры. Проведено сравнение с результатами двумерной модели.
1.Huang S.-C., Wang C.-C., Liu, Y.-H. Heat transfer measurement in a rotating cooling channel with staggered and inline pin-fin arrays using liquid crystal and stroboscopy // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2017. № 115. P. 364–376.
2.Wu W., Amsbeck L., Buck R., Waibel N., Langner P., Pitz-Paal R. On the influence of rotation on thermal convection in a rotating cavity for solar receiver applications // Applied Thermal Engineering. 2014. № 70(1). P. 694–704.
3.Banerjee S., Mukhopadhyay A., Sen S., Ganguly R. Thermomagnetic Convection in Square and Shallow Enclosures for Electronics Cooling // Numerical Heat Transfer, Part A: Applications. 2009. № 55(10). P. 931–951.
Степан Андреевич Михайленко
Томский государственный университет
За последние несколько лет многие фундаментальные исследования теплопереноса касались явления естественной конвекции в замкнутых пространствах из-за его важности и многочисленных технологических приложений в различных областях, таких как: энергоэффективное проектирование зданий, эксплуатация и безопасность ядерных реакторов, системы пассивного охлаждения электронных компонентов [1]. Интенсификация охлаждения электронных устройств напрямую зависит от рабочей жидкости в системе. Известно, что псевдопластические жидкости улучшают теплообмен за счет уменьшения вязкости при высокой скорости деформации. Также, улучшить теплообмен можно с помощью добавления наночастиц в базовую среду [2]. В настоящее время такой подход интенсификации естественно-конвективного теплообмена является очень популярным и перспективным. Однако, математическое описание динамики неньютоновской наножидкости является сложным процессом.
Целью данного исследования является сравнение теоретических и экспериментальных моделей, используемых для описания эффективной вязкости и теплопроводности наножидкости, в рамках задачи естественно-конвективного теплообмена в замкнутой полости с тепловыделяющим участком нижней стенки. Геометрическая область исследования изображена на рисунке 1. В качестве базовой неньютоновской среды использовалась смесь карбоксилметилцеллюлоза/вода (0.0%-0.3%), которая проявляет псевдопластический характер. В качестве материала наночастиц были проанализированы следующие вещества: Cu, Al2O3, CuO, TiO2. Характеристики базовой смеси и материалов наночастиц представлены в [3].
Математическая модель была сформулирована на основе законов сохранения массы, импульса и энергии в преобразованных безразмерных переменных «функция тока – завихренность». Неньютоновский характер течения жидкости описывался степенным законом Оствальда-де-Виля. Численное моделирование было проведено с использованием метода конечных разностей на равномерной прямоугольной сетке [4]. Программный код был написан на языке C++ и протестирован на модельных задачах. Проанализировано влияние определяющих параметров на изолинии функции тока и температуры, а также на среднее число Нуссельта и среднюю температуру источника энергии.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 17-79-20141).
1. Ouahouah A. et al. Natural convection within a non-uniformly heated cavity partly filled with a shear-thinning nanofluid and partly with air // Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 2021. Vol. 289. P. 104490.
2. Borode A.O., Ahmed N.A., Olubambi P.A. A review of heat transfer application of carbon-based nanofluid in heat exchangers // Nano-Structures & Nano-Objects. 2019. Vol. 20. 100394.
3. Maleki H. et al. Flow and heat transfer in non-Newtonian nanofluids over porous surfaces // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2019. Vol. 135. P. 1655–1666.
4. Loenko D.S., Shenoy A., Sheremet M.A. Effect of time-dependent wall temperature on natural convection of a non-Newtonian fluid in an enclosure // International Journal of Thermal Sciences. 2021. Vol.166.106973.
Дарья Сергеевна Лоенко
