ЕСТЕСТВЕННАЯ КОНВЕКЦИЯ ПСЕВДОПЛАСТИЧЕСКОЙ НАНОЖИДКОСТИ В КВАДРАТНОЙ ПОЛОСТИ С ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ
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.
