Thermal and dynamic study of a ferrofluid in an open flow

Abstract

إن عمل هذه الأطروحة هو مساهمة في دراسة نقل الحرارة الحراريةة تشكيلات مختلفة مليئة بالسوائل النانوية (الأنابيب النانويةوالكربون/الماء -Fe3O4/الماء): MHD وتوليد الأنتروبي في ثلاث الحمل الحراري القسري في أنبوب مربع (أفقي)، الحمل الحراري القسري في عدة أنابيب من أقسام مختلفة (مثلثة ومستطيلة ودائرية وإهليجية) ، الحمل الحراري المختلط في أنبوب مربع (أفقي ورأسي). يتم تحديد معادلات النقل للسائل النيوتوني بواسطة طريقة الحجوم الممنتهية ويتم حلها رقميًا باستخدام برنامجCFD«Ansys Fluent». تم اقتراح تقنيتين لتحسين الأداء، إحداهما نشطة (MHD) والأخرى سلبية (الموائع النانوية). تمت دراسة تأثير المعلمات ذات الصلة مثل عدد Richardson (Ri)، وعدد Hartmann (Ha)، وعدد Reynolds (Re)، وعدد Grashof (Gr)، وحجمجزء(∅) من الموائع النانوية على المجال الديناميكي والحراريبالتفصيل. تم تحديد النتائج الرقمية لمعامل الاحتكاك ، عدد poiseuille، عددNusseltوالانتروبيا المتولدة في التدفق. تظهر النتائج، من ناحية، أن نقل الحرارة وفقدان الحمل يزدادان في حالة التطبيق غير الموحد للمجال المغناطيسي (الوضع الجزئي) وفي الاتجاه العرضي للمجال المغناطيسي (𝛄=𝝅/2) . من ناحية أخرى، لم يؤثر تطبيق MHD في النمط الكامل واتجاه التدفق على الأداء الحراري والديناميكي. من الواضح أن الاشكال الدائرية تعطي أفضل أداء حراري في حالة التطبيق غير الموحد للمجال المغناطيسي (الوضع الجزئي) وللاتجاه العرضي للمجال المغناطيسي (𝛄=𝝅/2). بينما يتم الحصول على الحد الأدنى من إنشاء الأنتروبي من خلال الاشكال الهندسة التي تتمتع بأفضل أداء حراري. بالإضافة إلى ذلك، فإن اللارجوعيةللأنتروبياالحرارية هي الأكثر أهمية فيما يتعلق بالأنتروبيالاحتكاكي والأنتروبيالمغناطيسي، وأخيراً فإن الفروفلويد(Ferrofluide)يحسن بشكل كبير الأداء مقارنة بـ CNT

The work of this thesis is a contribution to the study of MHD convective heat transfer and entropy generation in three different configurations filled with nanofluids (Fe3O4/water and carbon nanotubes/water): Forced convection in a square (horizontal) cross-section pipe, forced convection in several pipes with different cross-sections (triangular, rectangular, circular and elliptical) and mixed convection in a square (horizontal and vertical) cross-section pipe. The transport equations for a Newtonian fluid are discretized by the finite volume method and are solved numerically using a CFD code "Ansys Fluent". Two techniques have been proposed to improve the performance, one active (MHD) and the other passive (nanofluids). The influence of relevant parameters such as Richardson number (Ri), Hartmann number(Ha), Reynolds number (Re), Grashof number (Gr), and volume fraction (∅) of the nanofluid on the dynamic and thermal field is examined in detail. Numerical results are established for the friction coefficient, poiseuille number, nusselt number, and entropy generated in the flow. The results show, on the one hand, that the heat transfer and pressure losses increase in the case of applying the magnetic field in a non-uniform way (partial mode) and for a transverse direction of the magnetic field (𝛄=𝝅/𝟐).On the other hand, the application of MHD according to the full mode and in the direction of the flow did not affect the thermal and dynamic performances. It is clearly observed that the circular geometry gives better thermal performance in the case of applying the magnetic field in a non-uniform way (partial mode) and for a transverse direction of the magnetic field (𝛄=𝝅/𝟐). While the minimum entropy creation is obtained by the geometry that has the best thermal performance. In addition, the thermal irreversibility’s are the most important compared to the frictional and magnetic entropies, and finally the ferrofluid improves the performance significantly compared to CNT Le travail de cette thèse constitue une contribution à l'étude de transfert thermique convectif MHD et génération d'entropies dans trois configurations différentes remplies des nanofluides (Fe3O4/eau et nanotubes de carbone/eau) : Convection forcée dans une conduite de section carrée (horizontale), convection forcée dans plusieurs conduites de différentes sections (triangulaire, rectangulaire, circulaire et elliptique) et convection mixte dans une conduite de section carrée (horizontale et verticale. Les équations de transport pour un fluide newtonien sont discrétisées par la méthode des volumes finis et sont résolues numériquement en utilisant un code CFD " Ansys Fluent". Deux techniques ont été proposées pour améliorer les performances, l’une active (MHD) et l’autre passive (nanofluides). L'influence des paramètres pertinents tels que le nombre de Richardson (Ri), le nombre d'Hartmann(Ha), le nombre de Reynolds (Re), le nombre de Grashof (Gr), et la fraction volumique (∅) du nanofluide sur le champ dynamique et thermique est examinée en détail. Les résultats numériques sont établis pour le coefficient de frottement, le nombre de poiseuille, le nombre de nusselt et l’entropie générée dans l’écoulement. Les résultats montrent d’une part, que le transfert de chaleur et les pertes de charge augmente dans le cas d’une application du champ magnétique d’une façon non-uniforme (mode partiel) et pour une direction transversale du champ magnétique (𝛄=𝝅/𝟐).D’autre part l’application de MHD selon le mode complet et dans la direction de l’écoulement n’a pas affecté par les performances thermiques et dynamiques. Il est clairement observé que la géométrie circulaire donne des meilleures performances thermiques dans le cas d’une application du champ magnétique d’une façon non-uniforme (mode partiel) et pour une direction transversale du champ magnétique (𝛄=𝝅/𝟐). Tandis que la minimum création d’entropie est obtenue par la géométrie qui a les meilleures performances thermiques. En plus, les irréversibilités thermiques sont les plus importantes par rapport aux entropies de frottement et magnétiques, et finalement le ferrofluide améliore considérablement les performances par rapport au CNT.