Heat transfer enhancement in a U-shaped heat exchanger microchannel using H2O AL2O3 nanofluid: CFD modelling and performance analysis

Abstract

This study investigates the thermohydraulic performance of a U-shaped microchannel heat exchanger utilizing an H2O-Al2O3 nanofluid. A computational fluid dynamics (CFD) simulation was conducted using Ansys Fluent software to model a three-dimensional, steady-state, and laminar flow within a 1 mm diameter microchannel. The research evaluates the impact of varying nanoparticle volume fractions (up to 4%) on the local heat transfer coefficient, pressure drop Delta P, and dimensionless Nusselt number (Nu) under a uniform heat flux of 5000 W/m². Results indicate that increasing the Al2O3 concentration to 4% enhances the heat transfer coefficient by 8.0% but simultaneously raises the required pumping pressure by 10.8% due to a substantial increase in dynamic viscosity. The study concludes that a 2% nanoparticle concentration provides the optimal energy efficiency trade-off, delivering a 4.2% increase in heat transfer with an acceptable 5.2% rise in pressure drop, whereas higher concentrations are deemed energetically unfeasible.Це дослідження вивчає теплогідравлічні характеристики U-подібного мікроканального теплообмінника з використанням нанорідини H₂O-Al₂O₃. За допомогою програмного забезпечення Ansys Fluent було проведено моделювання методами обчислювальної гідродинаміки (ОГД / CFD) для відтворення тривимірної стаціонарної та ламінарної течії в мікроканалі діаметром 1 мм. У дослідженні оцінюється вплив різних об'ємних часток наночастинок (до 4%) на локальний коефіцієнт тепловіддачі, перепад тиску Delta P та безрозмірне число Нуссельта (Nu) за умов рівномірного теплового потоку 5000 Вт/м². Результати показують, що збільшення концентрації Al₂O₃ до 4% підвищує коефіцієнт тепловіддачі на 8,0%, але водночас підвищує необхідний тиск для перекачування на 10,8% через суттєве зростання динамічної в'язкості. У дослідженні зроблено висновок, що концентрація наночастинок 2% забезпечує оптимальний компроміс з погляду енергоефективності, гарантуючи приріст тепловіддачі на 4,2% при прийнятному збільшенні перепаду тиску на 5,2%, тоді як вищі концентрації визнані енергетично недоцільними.