Étude de l’écoulement des nanofluides dans une conduite circulaire : Aspects thermiques et hydrodynamiques

Abstract

Les propriétés du liquide de refroidissement thermique sont des indicateurs potentiels des performances de transfert de chaleur, cependant, le liquide de refroidissement reste souvent moins efficace en raison de son incapacité à absorber l'excès de chaleur. Grâce à la nanotechnologie, un nouveau concept a été introduit pour préparer des particules de taille nanométrique qui peuvent être dispersées dans le liquide de refroidissement pour former un nanofluide stable avec d'excellentes propriétés thermiques. Néanmoins, l'ajout des nanoparticules conduit à une augmentation de la viscosité qui augmente la contrainte de cisaillement affectant les performances du système de refroidissement. Cette étude vise à étudier par CFD en adoptant l’approche monophasique à la fois le comportement thermique et hydrodynamique d'un nanofluide s'écoulant dans des conditions turbulentes respectivement dans deux configurations simple, présentée par une conduite simple et un coude à 90°, et dans un échangeur de chaleur tubulaire coaxial. Les équations de la convection sont résolues en utilisant le modèle de turbulence (SST) k- par la méthode des éléments finis adoptée par le code de calcul Comsol Multiphysics. Dans cette investigation l’effet du nombre de Reynolds (Re) et de la fraction volumique des nanoparticules (φ) sur le nombre de Nusselt, la contrainte de cisaillement et la perte de charge sont étudiés de manière approfondie. Les résultats obtenus dans le cas de la configuration simple montrent comment la concentration de nanoparticules influence la distribution radiale de la température et de la vitesse en conférant à l'écoulement une certaine homogénéité qui améliore le transfert de chaleur, mais elle affecte également le comportement hydrodynamique du nanofluide conduisant à une augmentation de la contrainte de cisaillement. Sur la base de ces deux investigations, le nanofluide contenant des particules d'Al2O3 est meilleur que celui de CuO bien que la conductivité thermique de ce dernier est bien superieur. Dans le cas de l’échangeur de chaleur tubulaire, les résultats de l’investigation sont présentés en termes de variation du nombre de Nusselt moyen, de perte de charge et de taux de cisaillement en fonction de concentrations en nanoparticules (Al2O3) montrent que les nanoparticules contribuent considérablement à l’amélioration du transfert thermique dans l’échangeur accompagnée d’une légère augmentation de perte de charge.