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Scientific Reports volume 13、記事番号: 8471 (2023) この記事を引用

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都市部での太陽エネルギーの開発には、太陽熱交換器内の熱伝達の改善が重要です。本研究では、太陽熱交換器のUターンパイプ内を流れるナノ流体(Fe3O4)の熱効率に対する不均一磁場の利用を検討した。計算流体力学を適用して、太陽熱交換器内のナノ流体の流れを視覚化します。熱効率に対する磁力とレイノルズ数の役割が徹底的に調査されています。私たちの研究では、単一および三重の磁場源の影響も研究されています。得られた結果は、磁場の使用によりベース流体内に渦が生成され、ドメイン内の熱伝達が改善されることを示しています。私たちの発見は、Mn = 25 K の磁場を使用すると、太陽熱交換器の U ターンパイプに沿った平均熱伝達が約 21% 改善されることを示しています。

熱交換器の熱の進歩は、環境とコストを節約するために非常に重要です。熱交換器は家庭ユーザーだけでなく発電所、石油化学プラント、製油所などの産業でも広く使用されているため、熱交換器の性能はさまざまな業界で重要です1、2、3。この装置はエネルギー生産のために石油を燃やすことで CO2 排出量を削減するため、環境保全におけるこの装置の重要性については以前の研究でも述べられています。一方で、太陽エネルギーなどの新しいタイプのエネルギー資源は、熱交換器の性能が十分に高ければ経済的になります4,5。

現在のエネルギー源は 2 世紀以上持続できないため、新しいエネルギー源の開発は非常に重要です6,7。したがって、再生可能エネルギーは原油に代わる最良のエネルギーとして研究者らの主要なテーマとなっている8,9。さらに、原油の燃焼では CO2 の生成が避けられないため、従来のエネルギー源では汚染の軽減は達成できません 10,11。利用可能な再生可能エネルギーの中でも、太陽エネルギーは、特に家庭ユーザーにとって、アクセスしやすさと低コストのため、信頼できるエネルギー源と考えられています12、13。太陽光発電所は、大規模なエネルギー生産に関しては他の発電所（つまり原子力）に匹敵するものではありませんが、このエネルギー源は都市部から遠く離れたところに住む小規模ユーザーにとって効率的に使用できる可能性があります14、15、16、17。したがって、家庭ユーザー向けのエネルギー源の生産のための太陽光発電システムの使用は、石油価格の上昇により過去 3 年間で増加しました 18、19、20。

ナノ粒子の使用により、現在の熱交換器の効率が大幅に向上しました 21、22。実際、フェロ粒子は熱交換器内のベース流体の熱容量を大幅に向上させ、これにより家庭ユーザーに必要な温水を提供するためのソーラーパネルの性能が節約されます23、24、25。ナノ流体の熱容量は、磁場の使用により大幅に増加します。実際、ナノ流体流が流れるパイプの近くに磁気源を適用すると、流体内に乱れが生じ、ナノ流体流内に渦構造が生成される26、27。したがって、熱交換器内部では熱伝達が激しくなります。ナノ流体の流れのこの特性は、プロセスの熱特性を変化させる可能性があるため、別のプロセス、つまり沸騰と融解で包括的に研究されています28、29、30。現在の研究では、フェロ粒子を含むナノ流体の近くで均一または不均一な磁気源の使用が検討されていますが、ナノ流体の流れのこの側面は、熱交換器のさまざまなセクションで包括的に検討されていませんでした 31、32、33。これらの研究のほとんどでは、ナノ流体の流れの熱分析に理論的アプローチが使用されています34、35、36。数値流体力学の数値手法は、熱交換器の熱伝達の研究にも使用されます 37,38。計算による調査のコストが低いため、この手法は、現在の研究の発展のための新しい革新的なアプローチを事前評価するための最初の方法と考えられています 39,40。熱交換器の改良のための均一磁場に焦点を当てた研究がいくつかありますが、不均一磁場は数値流体力学による限られた論文で研究されています41、42、43。

この記事では、U ターン二重管熱交換器に沿って流れるナノ流体の熱改善に対する不均一磁場の役割について説明します (図 1)。ナノ流体の流れの流れ特性と熱特性は、数値流体力学によって検査および分析されます。二次元モデルにおけるフェロ粒子を含むベースの流れの流線は、ナノ流体の熱的側面を改善する主な流れ要因を明らかにするために徹底的に調査されています。ナノ流体のレイノルズ数と磁力の影響も、ナノ流体の流れの流体力学でシミュレートされます。さらに、U ターンパイプに沿った熱伝達の変化がさまざまな条件でプロットされています。

(a) 単一 (b) 三重の不均一磁気源が存在する場合の U ターンパイプの概略図。

ナノ流体は、この研究では水であるベース流体内のフェロ粒子 (3 ～ 15 nm) の混合物です。ナノ流体のシミュレーションは、ベース流体が磁性流体の熱特性を持つ非圧縮性の水であるときに行われます。ナノ流体の流れは安定しており、非圧縮性であり、層流であると想定されています44、45、46。前述の仮定を伴う 2D ナノ流体ストリームの主な支配方程式は次のとおりです。

運動量方程式には 2 つのソース項があり、それらは磁場に関連付けられており、ケルビン力として知られています。これらのソース用語は、次の式で計算されます。

ここで、M の値は次の方程式で計算されます。

磁気強度を評価するための無次元値は、次のように計算されます。

今後の出版論文では、磁性流体の主な支配方程式に適用される不均一磁場の完全な詳細が提示され、説明されています。ベース流体、空気、および水の熱特性を表 1 に示します。

混合物 (フェロ粒子を含む水) の密度、粘度、熱容量は、次のように計算されます。

ナノ流体の流れの水力特性と熱特性を比較するには、レイノルズ数とヌッセルト数を次のように計算する必要があります。

ナノ流体の流れを伴う U ターン二重管の選択されたモデルが図 1 に表示されます。磁場の発生源は不均一な分布で示されています。図に示すように、均一な熱流束 (1000 W/m2K) が壁に適用されます。一定の温度 (300 K) と速度の磁性流体がパイプに入ることが想定されます。パイプのサイズは d/D = 0.8 です。

パイプ内の磁性流体の数値シミュレーションのためにグリッドスタディも行われます。図 2 は、選択した U ターンモデルに対して生成されたグリッドを示しています。生成されたグリッドは完全に構造化されており、ナノ流体ストリーム上の磁場の相互作用により、壁付近のグリッドのサイズは他の領域よりも小さくなります。導入されたジオメトリに最適なグリッドセルを得るために、グリッドの独立性解析が実行されます (表 2)。グリッドの独立性の結果を図 3 に示します。表に示されているように、グリッドのサイズを変更し、それが単管の熱特性に及ぼす影響を比較しています。この研究では、グリッド数 9000 セル (30 × 300) のモデルが選択されます。

グリッド。

検証 (a) φ = 0.24 (b) φ = 1.18。

私たちの方法の検証は、単一のパイプに沿ったナノ流体の流れに対して行われ、私たちのデータは実験データと計算データの両方と比較されます46、47、48、49。図 3 に示すように、Re = 1500 における 2 つのナノ粒子体積分率を持つナノ流体の熱伝達係数がシミュレーションされ、結果の比較により、結果の偏差が 8% 未満であることが確認され、これは将来の研究に許容できるものです 50,51,52。。このアプローチは、さまざまな科学的問題で使用されます53、54、55、56、57、58。

図 4 は、U ターンパイプ内のナノ流体の流れの合理化に対する磁気源の影響を示しています。単一の磁気源が U ターンの中間セクション付近に適用されると、単一の渦が生成されます。この渦の形成はケルビン力の主な結果です。 3 つの磁気源がある場合、ドメイン内に 3 つの渦が存在します。最初の渦 (ワイヤー 3) が他の渦よりも大きいことがわかります。渦が発生する主な理由は磁場の不均一性です。渦の形成によって熱伝達がどのように改善されるかについては、次のセクションで説明します。

Mn = 165,000 の (a) 単一 (b) 三重の不均一磁場の存在下でのナノ流体の流線。

U ターンパイプに沿った熱伝達に対するこれらの渦の影響を図 5 に示します。この図では、ヌッセルト数の変動は、U ターンパイプの熱伝達に対する磁気源の影響を示しています。レイノルズ数が違う。入口ナノ流体の流れの速度が増加すると、流体の運動量が大きいため、ナノ流体の流れの流体力学に対する磁気源の影響は制限されます。したがって、渦のサイズは制限され、その結果、図5に示すように熱伝達率が低下します。これらの渦の主な側面の1つは、ナノ流体がより多く留まるようにするドメイン内の高速勾配です。図 6 は、磁場のない場合のさまざまなレイノルズ数における U ターンパイプに沿った熱伝達を示しています。

単一磁源の存在下での U ターンに沿った熱伝達の変化 (a) Re = 50 (b) Re = 150。

磁気源なしでの U ターンに沿った熱伝達の変化。

ナノ流体の流れの温度変化に対する磁場の影響を図7に示します。渦が生成される領域で温度変化が発生することが観察されます。温度の変化は渦に関係するだけでなく、不均一な磁力の影響下でのナノ流体の熱容量の変化にも関係します。無次元の温度等高線は、モデルにおけるこれらの効果を示しています。磁場の強さによって強い渦の形成も促進され、その結果、熱伝達が改善されます。

不均一な磁気源の影響下での無次元温度の等高線 (a) Mn = 0、(b) Mn = 92,000、(c) Mn = 258,000。

単一および三重の不均一磁源の熱伝達の比較を図 8 にプロットします。プロット内のピークの形成は、不均一磁場の影響下での渦の形成を表します。ヌッセルト数が最大になるのは、三重磁気源の場合のワイヤ 3 付近です。流線図からも、この領域に大きな渦が発生していることが確認できます。実際、これは、流れが内壁ではなく奥の壁に移動する傾向がある U ターンパイプの形状によるものです。したがって、渦の破壊に対する抵抗が少なくなります。

単一および三重磁場のパイプに沿ったヌッセルト数の変化。

図 9 は、単一および三重磁気源の温度等高線と、磁場のないモデルを示しています。磁場の発生源付近の温度変化は、不均一な磁場の存在によって U ターンパイプ上の熱伝達が改善されることを証明しています。磁場の発生源の数が増えると、磁区内のより広い領域が磁場発生源の影響を受けます。

(a) 単一および (b) 三重の不均一磁場源の影響下での無次元温度の比較。

U ターンパイプに沿った平均ヌッセルト数に対する磁気強度の影響を図 10 に示します。入口速度は一定 (Re = 50) で、不均一磁場の発生源は均一です。磁気源の変化に伴う平均ヌッセルト数の変化はほぼ線形です。磁気強度 Mn = 258,000 の磁気ソースを単一のソースで適用すると、平均ヌッセルト数は約 21% 増加します。 U ターンパイプに沿った平均熱伝達を推定するには、次の式が得られます。

単一の不均一磁場の磁気強度が U ターンパイプに沿った平均ヌッセルト数に及ぼす影響。

本研究では、U ターンパイプを通るナノ流体の熱伝達に対する不均一磁場の影響を調査します。 CFD 技術を使用して、U ターンパイプ内の単一および三重磁場の影響下での Fe2O3 鉄粒子を含むナノ流体の流体力学的および熱的特性をモデル化します。ナノ流体の流れの流体力学における磁気強度と入口ナノ流体速度の役割。渦の生成とそれがベース流体の熱伝達に及ぼす影響について詳しく説明されています。現在の研究では、さまざまな流体条件の温度等高線も示されています。得られた結果は、U ターンパイプの中間セクション付近に不均一な単一磁場 (Mn = 25.8 K) を適用すると、熱伝達が最大 21% 増加することを示しています。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。

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シダ・リー

重慶水利・電力建設調査・設計研究所杭州支所、中国杭州市

リウダン・マオ

シハン大学工学部土木工学科 - アルビル、イラク

アサド・アリザデ

Zhejiang Tongjing Technology Co. Ltd.、衢州市、中国

シン・チャン

イラン、テヘラン工科職業大学 (TVU) 機械工学科

S.ヴァリアラ・ムーサヴィ

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SVM と AA が主要原稿テキストを書き、SL と LM が図を作成し、SL、LM、XZ が英語の文章と結論を改善しました。著者全員が原稿をレビューしました。

毛沢東指導者またはS.ヴァリアラ・ムーサヴィへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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リー、S.、マオ、L.、アリザデ、A. 他。太陽熱集熱器の U ターンパイプ内のナノ流体の流れを熱的に強化するための不均一な磁場の適用。 Sci Rep 13、8471 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-35659-7

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受信日: 2023 年 3 月 22 日

受理日: 2023 年 5 月 22 日

公開日: 2023 年 5 月 25 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35659-7

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