Numerical investigation of heat transfer enhancement on the effect of adding (AL2O3) nanoparticles to water flow in a horizontal tube inserted pentagon rings

Abstract

Bu çalışmada silindirik bir boru içerisinde Al2O3—su nanoakışkanı ile birlikte üç farklı mesafe oranına sahip beşgen kestili iç elemanlar yerleştirilerek ısı transfer ve basınç düşümüne etkileri sayısal olarak incelenmiştir. Test bölgesinde hidrodinamik olarak gelişmiş akış sağlamak amacıyla, giriş ve çıkış boru bölgeleri kullanılmıştır. Analizler üç farklı hacimsel nanoakışkan fraksiyonu ve 5000-15,000 Reynolds sayısı aralığında gerçekleştirilmiştir. Isı transferi ve basınç düşümü çözümünü içeren sayısal çalışmada k-w Standart sonlu elemanlar çözümü ve süreklilik, momentum ve enerji denklemlerinin kullanıldığı üç boyutlu analizler gerçekleştirilmiştir. Çalışmada tek-model kullanılmış ve akışkan özellikleri sabit olarak kabul edilmiştir. Al2O3-su nanoakışkanı ve beşgen iç elemanların kullanımı, boş boruya oranla ısı transferi ve basınç düşümünde artışa sebep olmuştur. ısı transfer katsayısı nanoakışkan hacim fraksiyonunun artışı ve Reynolds sayısının artışı ile artmıştır ve mesafe oranının artmasıyla azalan bir eğim göstermiştir. Sonuç olarak Al2O3-su nanoakışkanı ve beşgen iç eleman kullanımının ısı transferi proseslerinde etkin bir biçimde kullanılabileceği görülmüştür.

In this work, a numerical study has been presented to investigate heat transfer characteristics of (Al2O3-Water) nanofluids flow in a circular horizontal tube that fitted pentagon rings by three different pitch lengths (d, 2d, and 3d). To provide fully developed flow inside the test section, specified distances are performed on the entrance and the exit of the tube. The analyses are carried out with three different nanofluids volume fractions 1.5, 3, and 4.5 % in the range of Reynolds number from 5,000 to 15,000. The numerical solution procedure includes the investigation of heat transfer coefficient, Nusselt number, friction factor, surface temperature and the pressure drop characteristics with using finite volume method by applying (k-w) Standard turbulence model to solve the equations of continuity, momentum, and energy in a three-dimensional domain. A single-phase approach is employed to model nanofluids and properties of the fluid are applied constant with temperature. The use of (Al2O3-Water) nanofluids with pentagon ring leads to increase in heat transfer and pressure drop over the smooth tube. The heat transfer coefficient increases with the increment of the nanofluid concentrations and Reynolds number, and it shows descending trend with the increment of pitch length or in another meaning increases with the increment of the number of pentagon rings into a tube. Finally, the results showed that the configuration of Al2O3-Water nanofluid with pentagon ring could be used effectively in heat transfer processes.