НАНОБӨЛШЕКТЕРДІҢ ҚҰБЫРЛАРДАҒЫ ЖЫЛУ АҒЫНЫ КЕЗІНДЕ ТУРБУЛЕНТТІЛІК ПЕН ЖЫЛУ БЕРІЛІСІНІҢ БАЙЛАНЫСЫНА ӘСЕРІ

Жылу алмасу үдерістерінің тиімділігін арттыру қазіргі энергетика мен жылу техникасының негізгі міндеттерінің бірі болып табылады. Су, этиленгликоль сияқты дәстүрлі жұмыс сұйықтықтары жылу өткізгіштік пен жылусыйымдылық тұрғысынан шектеулі, бұл олардың жоғары жылулық жүктеме жағдайындағы мүмкіндіктерін азайтады. Бұл мәселенің ықтимал шешімдерінің бірі – базалық сұйықтықтағы нанобөлшектер дисперсиясы болып табылатын наносұйықтықтарды қолдану, олар жүйенің термофизикалық қасиеттерін түзетіп, жылу алмасудың тиімділігін арттыра алады.

Бұл жұмыста тұрақты жылу ағыны жағдайында U-тәрізді түтікшелі арнадағы судың және TiO₂-CuO наносұйықтығының ағыны сандық тұрғыдан зерттелді. Зерттеу үшін есептеу гидродинамикасының (CFD) әдістері қолданылды, олар турбуленттік кинетикалық энергияның (TKЭ) таралуын, арна бойындағы қысым өзгерістерін, сондай-ақ жылу алмасудың интегралдық көрсеткіштерін ө жылу беру коэффициенті мен жылуды сіңіру шамаларын – бағалауға мүмкіндік берді.

Нәтижелер көрсеткендей, су жоғары турбуленттік белсенділікке ие: TKЭ-нің максималды мәндері 1.910⁻³ м²/с²-ге жетеді, ал қысымның жалпы түсуі шамамен 230 Па құрайды. Жылу өткізгіштігінің шектеулі болуы (0.6 Вт/м·К) шығыстағы температураның 5-7 °C-қа дейін көтерілуіне әкеледі. TiO₂-CuO наносұйықтығына түзу учаскелерде турбуленттік тербелістер деңгейінің төмендеуі (10^-6-10^-5 м²/с²) және қысым айырмасының 270 Па-ға дейін артуы тән. Дегенмен, жоғары жылу өткізгіштік (0.702 Вт/м·К) пен тығыздық жылуды тиімдірек әкетуді қамтамасыз етіп, шығыстағы сұйықтықтың қызуын 4-5 °C-қа дейін төмендетеді.

Жылуды сіңіру мен жылу беру коэффициентін салыстыру наносұйықтықтың артықшылығын көрсетті: h=68.3 Вт/(м²·К), Q=143 Вт, ал су үшін бұл көрсеткіштер h=67.6 Вт/(м²·К), Q=141.8 Вт болды. Бұл нәтижелер TiO₂-CuO наносұйықтығының гидравликалық шығындардың қабылданатын артуы аясында жылу алмасудың жоғары тиімділігін қамтамасыз ете алатынын, сондай-ақ оны ықшам және энергияға қаныққан жүйелерде болашағы бар жылу тасығыш ретінде қолдануға болатынын дәлелдейді.

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.