ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ НА СВЯЗЬ ТУРБУЛЕНТНОСТИ И ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ ТЕПЛОВОМ ПОТОКЕ В ТРУБАХ

Повышение эффективности процессов теплообмена является одной из ключевых задач современной энергетики и теплотехники. Традиционные рабочие жидкости, такие как вода и этиленгликоль, ограничены по теплопроводности и теплоёмкости, что снижает их потенциал в условиях высоких тепловых нагрузок. Одним из направлений решения этой задачи является применение наножидкостей – дисперсий наночастиц в базовой жидкости, способных корректировать её теплофизические характеристики и повышать эффективность теплоотдачи.
В работе проведено численное исследование течения воды и наножидкости TiO2-CuO в U-образном трубчатом канале при постоянном тепловом потоке. Для анализа использовалось моделирование методом вычислительной гидродинамики (CFD), позволившее оценить распределение турбулентной кинетической энергии (ТКЕ), изменение давления вдоль канала, а также интегральные показатели теплообмена: коэффициент теплоотдачи и тепловосприятие.
Результаты показали, что вода обладает более высокой турбулентной активностью: максимальные значения TKE достигают 1.9·10-3 м2/с2, при этом суммарное падение давления составляет около 230 Па. Ограниченная теплопроводность (0.6 Вт/м·К) приводит к росту температуры на выходе на 5-7 °C. Для наножидкости TiO2-CuO характерно снижение уровня турбулентных флуктуаций на прямолинейных участках (10-6-10-5 м2/с2) и увеличение перепада давления до 270 Па, однако более высокая теплопроводность (0.702 Вт/м·К) и плотность обеспечивают более эффективный отвод тепла, снижая перегрев жидкости до 4-5 °C на выходе.
Сравнительный анализ тепловосприятия и коэффициента теплоотдачи показал преимущество наножидкости: h=68.3 Вт/(м2·K), Q=143 Вт по сравнению с водой (h=67.6 Вт/(м2·K), Q=141.8Вт). Эти результаты свидетельствуют о том, что наножидкость TiO2-CuO способна обеспечить более высокую эффективность теплопередачи при допустимом увеличении гидравлических потерь, что делает её перспективным теплоносителем для применения в компактных и энергонапряжённых системах.

1. A review on nanofluids coupled with extended surfaces for heat transfer enhancement / M.L. Ho et al // Results in Engineering. – 2023. – № 17. – Р. 100957.

2. A detailed thermohydraulic performance assessment of surface-modified silver nanofluids in turbulent convective heat transfer / W. Bunpheng et al // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. – 2024. – № 149(17). – Р. 10061-10079.

3. Experimental and machine learning study on the influence of nanoparticle size and pulsating flow on heat transfer performance in nanofluid-jet impingement cooling / E.O. Atofarati et al // Applied Thermal Engineering. – 2024. – № 258. – Р. 124631.

4. Kareem A.K. Simulation study of heat transfer behaviour of turbulent two-phase flow in a 3D cubic shell and tube heat exchanger using water and different nanofluids / A.K. Kareem, A.H. Alabbasi, A.M. Mohsen // Results in Engineering. – 2024. – № 24. – Р. 102851.

5. Enhancing heat transfer in a heat exchanger: CFD study of twisted tube and nanofluid (Al2O3, Cu, CuO, and TiO2) effects / V. Ghazanfari et al // Case Studies in Thermal Engineering. – 2024. – № 53. – Р. 103864.

6. Heat transfer improvement in copper heat pipes using hybrid nanofluids: a comparative analysis / R. Dhairiyasamy et al // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. – 2025. – № 1-20.

7. Computational modelling and analysis of heat transfer enhancement in straight circular pipe with pulsating flow / S.V. Nishandar et al // International Journal on Interactive Design and Manufacturing (IJIDeM). – 2025. – № 19(3). – Р. 1951-1969.

8. Towards a better understanding of high Reynolds number flow in U-tube heat exchangers: Insights from particle image velocimetry and computational fluid dynamics / G. Ligus et al // Energy conversion and management. – 2025. – № 343. – Р. 120211.

9. A critical insight on nanofluids for heat transfer enhancement / A.H. Alami et al // Sci Rep. – 2023. – № 13. – Р. 15303.

10. Investigating enhanced convection heat transfer in 3D micro-ribbed tubes using inverse problem techniques / Z. Wang et al // Energies. – 2024. – № 17(20). – Р. 5102.