Modelo computacional para a otimização do desempenho termohidráulico do escoamento de um nanofluido de óxido de grafeno

Abstract

O gerenciamento térmico em sistemas compactos de alta potência baseados em escoamentos convectivos constitui um dos principais desafios da engenharia térmica moderna. Este estudo apresenta uma investigação numérica do desempenho termohidráulico de escoamentos laminares sobre um degrau descendente, por meio da combinação de duas técnicas passivas complementares: o uso de nanofluidos de óxido de grafeno (GOnanofluidos) e a inserção de um defletor na parede superior. Um código próprio desenvolvido em Fortran foi utilizado para resolver as equações de Navier-Stokes e da energia. As propriedades termofísicas dos nanofluidos foram modeladas com base nos modelos de Brinkman e Hamilton-Crosser, permitindo avaliar os efeitos da fração volumétrica (ϕ) e da morfologia das nanopartículas (n). Primeiramente, demonstrou-se a superioridade termohidráulica do GO-nanofluido em relação às suspensões convencionais (Al2O3, CuO e TiO2). Em uma segunda etapa, o GO-nanofluido otimizado (ϕ = 0,20, n = 5,77) foi adotado como caso de referência para a análise paramétrica da posição (Xb) e da altura (hb) do defletor. O balanço entre ganho térmico e penalidades hidráulicas foi quantificado por meio do Critério de Avaliação de Desempenho (PEC), aplicado à integração dessas técnicas passivas. A integração entre o GO-nanofluido ótimo e a configuração ótima do defletor (Xb = 1H, hb = 0,2H) resultou em uma redução de 61,76% no comprimento da zona de recirculação, um aumento de 302% no número de Nusselt máximo, um aumento de 254% no número de Nusselt médio e uma elevação de 25,51% no PEC. Os resultados indicam que a interação entre a camada de cisalhamento após o degrau e as instabilidades induzidas pelo defletor constitui o principal mecanismo de intensificação da transferência de calor em escoamentos em dutos com degrau descendente. Assim, a integração de métodos passivos demonstra ser uma estratégia eficaz para aplicações avançadas de resfriamento convectivo.

Thermal management in compact, high-power systems based on convective flows is one of the main challenges in modern thermal engineering. This study presents a numerical investigation of the thermohydraulic performance of laminar backward-facing step flows by combining two complementary passive techniques: the use of graphene oxide nanofluids (GO-nanofluids) and the insertion of a baffle on the upper wall. An in-house code developed in Fortran was used to solve the Navier–Stokes and energy equations. The thermophysical properties of the nanofluids were modeled based on the Brinkman and Hamilton–Crosser models, allowing the evaluation of the effects of the volume fraction (ϕ) and the morphology of the nanoparticles (n). First, the thermohydraulic superiority of the GO-nanofluid compared to conventional suspensions (Al2O3, CuO, and TiO2) was demonstrated. In a second stage, the optimized GO-nanofluid (ϕ = 0.20, n = 5.77) was adopted as the reference case for the parametric analysis of the baffle position (Xb) and height (hb). The balance between thermal gain and hydraulic penalties was quantified using the Performance Evaluation Criterion (PEC), applied to the combined use of these passive techniques. The integration of the optimal GO-nanofluid with the optimal baffle configuration (Xb = 1H, hb = 0.2H) resulted in a 61.76% reduction in the recirculation zone length, a 302% increase in the maximum Nusselt number, a 254% increase in the average Nusselt number, and a 25.51% increase in the PEC. The results indicate that the interaction between the shear layer downstream of the step and the baffle-induced instabilities constitutes the main mechanism for heat transfer intensification in backward-facing step flows. Thus, the integration of passive methods proves to be an effective strategy for advanced convective cooling applications.