مطالعه عددی و آماری کارایی چاه گرمایی استوانه ای با مینی کانال های منقطع و تولید کننده ورتکس پیچشی

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، ، گروه مهندسی مکانیک، واحد ماهشهر، دانشگاه آزاد اسلامی، ماهشهر، ایران.

2 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، واحد ماهشهر، دانشگاه آزاد اسلامی، ماهشهر، ایران.

10.22044/jsfm.2025.14607.3864

چکیده

در مطالعه حاضر، ویژگی‌های جریان سیال و انتقال گرما جریان آب در یک چاه گرمایی استوانه‌ای با مینی کانال‌های منقطع و تولید کننده ورتکس پیچشی به صورت عددی مورد بررسی قرار گرفته است. این مطالعه بر تعیین فاکتورهای تاثیرگذار طراحی و سطح های بهینه آنها تمرکز دارد. فاکتورهای طراحی در چهار سطح شامل زاویه تولید کننده ورتکس، زاویه پیچش تولید کننده ورتکس ، عدد رینولدز و فاصله تولید کننده های ورتکس از ابتدای بخش منقطع مینی کانال انتخاب شدند. پارامترهای خروجی در این مطالعه شامل عدد ناسلت، ضریب اصطکاک فنینگ و ضریب کارایی گرمایی کل است. برای بررسی تأثیر فاکتورهای طراحی بر پارامترهای خروجی، از روش آماری تاگوچی با آرایه‌های متعامد L16 و آنالیز واریانس استفاده شد. نتایج نشان داد که زاویه تولید کننده ورتکس ، عدد رینولدز و فاصله تولید کننده های ورتکس، نقش حیاتی با نسبت سهم به ترتیب 61.59%، 11.89% و 19.22% در ضریب کارایی گرمایی کل دارند. زاویه پیچش تولید کننده ورتکس، سهم کمی در پارامترهای خروجی دارد. مدل بهینه شده برای عدد ناسلت، ضریب اصطکاک فنینگ و ضریب کارایی گرمایی کل نسبت به مدل اصلی به ترتیب 100%، 16.8% و 94% بهبود یافته است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


 [1] Fan Y, Lee P.S, Jin L.W, and Chua B.W (2013) A simulation and experimental study of fluid flow and heat transfer on cylindrical oblique-finned heat sink. Int. J. Heat Mass Trans. 61: 62–72.
[2] Zhou H,  Zhou F, Zhang Q, Wang Q and Song Z (2019) Thermal management of cylindrical lithium-ion battery based on a liquid cooling method with half-helical duct. Applied Thermal Engineering 162:11425761.
 [3] Aghel B, Rahimi M, Sepahvand A, Alitabar M, and Ghasempour H.R (2014) Using a Wire coil insert for biodiesel production enhancement in a microreactor. Energy Conversion Management 84:541-549.
 [4] Khosravi R, Rabiei S, Bahiraei M, and Teymourtash A (2019) Predicting entropy generation of a hybrid nanofluid  containing graphene–platinum nanoparticles through a microchannel liquid block using neural networks. International Communications in Heat and Mass Transfer 109:104351.
[5]  Jeong J.H, Hah S, Kim D, Lee J.H, and Kim S.M (2020) Thermal analysis of cylindrical heat sinks filled with phase change material for high-power transient cooling. Int. J. Heat Mass Trans 154:119725.
 [6] Bahoosh R. and A.R. Falahat (2020) Heat transfer of   nanofluid through helical minichannels with secondary branches. Heat and Mass Transfer 57: 703-714.
 [7] Rabiei S, Khosravi R, Bahiraei M, Raziei M, and Ahmadian Hosseini A.J (2020) Thermal and hydraulic characteristics of a hybrid nanofluid containing graphene sheets decorated with platinum through a new wavy cylindrical microchannel. Applied Thermal Engineering 181:115981.
 [8] Fan Y, Lee P.S, Jin L.W. and Chua B.W (2014)     Experimental investigation on heat transfer and pressure drop of a novel cylindrical oblique fin heat sink. Int. J. Therm. Sci. 76: 1–10.
 [9]  Falahat A.R, Bahoosh R and Noghrehabadi A.R (2018) A numerical investigation of heat transfer and pressure drop in a novel cylindrical heat sink with helical minichannels. J. Heat mass trans. research 5: 11–26.
[10] Falahat A.R, Bahoosh R, Noghrehabadi A.R and  Rashidi M.M (2019) Experimental study of heat transfer enhancement in a novel cylindrical heat sink with helical minichannels. Applied Thermal Engineering 154: 585–592.
[11] Khalifa M.A and Jaffal H.M (2019) Effects of channel configuration on hydrothermal performance of the cylindrical mini-channel heat sinks. Applied Thermal Engineering 148: 1107–1130.
[12] Abdulhaleem A.A, Jaffal H.M and Khudhur D.S (2019) Performance optimization of a cylindrical mini-channel heat sink using hybrid straight–wavy channel. Int. J. Therm. Sci. 146: 106111.
[13] Hsiao K.Y, Wu C.Y and Huang Y.T (2014) Fluid mixing in a microchannel with longitudinal vortex generators. Chem. Eng. J. 235: 27-36.
[14] Khoshvaght-Aliabadi M, Zangouei S and Hormozi F (2015) Performance of a plate-fin heat exchanger with vortex-generator channels: 3D-CFD simulation and experimental validation. Int. J.Therm. Sci. 88: 180-192.
[15]  Ebrahimi A, Roohi E and Kheradmand S (2016) Nanofluid flow and heat transfer in a microchannel with longitudinal vortex generators: Two-phase numerical simulation. Applied Thermal Engineering 100: 179–189.
[16] Ebrahimi A, Roohi E and Kheradmand S (2014) Numerical study of liquid flow and heat transfer in rectangular microchannel with longitudinal vortex generators. Applied Thermal Engineering 78: 576-583.
[17] Datta A, Sanyal D and Kumar Das A (2016) Numerical investigation of heat transfer in microchannel using inclined longitudinal vortex generator. Applied Thermal Engineering 78: 1008-1019.
 [18] Zhang J.F, Jia L, Yang W.W, Taler J and Oclon P (2019) Numerical analysis and parametric optimization on flow and heat transfer of a microchannel with longitudinal vortex generators. Int. J. Therm. Sci. 141: 211-221.
[19] Kumar Das A and Hiremath S.S (2022) Investigation on the Thermohydraulic Performance and Entropy Generation of Novel Butterfly-Wing Vortex Generator in a Rectangular Microchannel. Thermal Science and Engineering Progress 36: 101531.
[20] Mohammadi M,  Mazloumi S.H, Hassani S.M, Khoshvaght-Aliabadi M (2017) Improvement of hydrothermal performance of microchannel heat sinks using V-shap pin-fins and Al2O3/water nanofluid, J. Solid Fluid Mech., 7: 211-228.
[21] Bazkhane S and Zahmatkesh I (2020) Taguchi based sensitivity analysis of hydrodynamics and heat transfer of nanofluids in a microchannel heat sink (MCHS) having porous substrates. International Communications in Heat and Mass Transfer 118: 104885.
[22] Heydari O, Miansari M, Arasteh H and Toghraie D (2021) Optimizing the hydrothermal performance of helically corrugated coiled tube heat exchangers using Taguchi’s empirical method: energy and exergy analysis. J. Therm. Analysis Calorimetry 145: 2741-2752.
[23] Falahat A.R (2023) Sensitivity analysis of boehmite alumina nanofluid in a novel cylindrical heat sink with hybrid helical-straight minichannels using the Taguchi method and statistical analysis. Int. J. Therm. Sci. 185: 108035.
 [24] Khaki Jamei M and Abbasi M (2017) Numerical investigation of nano-fluid on mico channel heat sink efficiency using the Taguchi method. J. Solid Fluid Mech., 7: 275-287.
[25] Chai L, Xia G, Zhou M, Li J and Qi J (2013) Optimum thermal design of interrupted microchannel heat sink with rectangular ribs in the transverse microchambers. Applied Thermal Engineering, 51: 880–889.
[26] Azizi Z, Alamdari A and Malayeri M.R (2016) Thermal   performance and friction factor of a cylindrical   microchannel heat sink cooled by Cu-water nanofluid. Applied Thermal Engineering 99: 970–978.
 
[27] Etghani M.M and Hosseini Baboli S.A (2017) Numerical  investigation and optimization of heat transfer and  exergy loss in shell and helical tube heat exchanger. Applied Thermal Engineering 121: 294-301.
[28] Li Y, Yang B, Wang Zh and Guo Q (2024) Investigation on the thermal and hydraulic characteristics of the micro heat sinks with grooves and pin fins by Taguchi-based sensivity analysis. Applied Thermal Engineering 249: 123454.
[29] Roy R.K (2001) Design of experiments using Taguchi   approach. Jhon Wiley & Sons, New York.
[30] Krishnaiah K and Shahabudeen P (2012) Applied    Design of Experiments and Taguchi Methods. PHI  Learning Pvt. Ltd.