Recherche expérimentale sur la stabilité et la convection naturelle du nanofluide TiO2-eau dans des enceintes avec différents angles de rotation

Contexte

Depuis que le nanofluide est préparé, en raison de ses excellentes propriétés de conduction thermique [1,2,3], le nanofluide est largement appliqué dans le domaine du transfert de chaleur [4,5,6], en particulier dans le champ de convection naturelle [7,8,9].

Les caractéristiques de transfert de chaleur par convection naturelle du nanofluide sont étudiées numériquement par de nombreux chercheurs. Il et al. [10, 11] ont appliqué des méthodes de Boltzmann à réseau monophasé et biphasé pour étudier numériquement le transfert de chaleur par convection naturelle de Al₂ O₃ -nanofluide d'eau dans une cavité carrée, respectivement. Sheikholeslami et al. [12] ont étudié les caractéristiques de transfert de chaleur par convection naturelle magnétohydrodynamique d'une enceinte cylindrique horizontale avec un cylindre triangulaire intérieur rempli d'Al₂ O₃ -nanofluide d'eau par une méthode de simulation en réseau de Boltzmann. Uddin et al. [13] ont étudié le transfert de chaleur par convection naturelle de divers nanofluides le long d'une plaque verticale noyée dans un milieu poreux sur la base du modèle de Darcy-Forchheimer. Meng et al. [14] ont étudié numériquement la convection naturelle d'un cylindre horizontal rempli d'Al₂ O₃ -nanofluide d'eau. Ahmed et al. [15] ont utilisé une méthode de Boltzmann en réseau à deux phases pour étudier la convection naturelle du nanofluide CuO-eau dans une enceinte inclinée. Qi et al. [16] ont simulé numériquement la convection naturelle du nanofluide Cu-Ga dans une enceinte.

En plus des simulations numériques ci-dessus sur la convection naturelle des nanofluides, les études expérimentales sur la convection naturelle des nanofluides sont réalisées par de plus en plus de chercheurs. Li et al. [17] ont étudié expérimentalement le transfert de chaleur par convection naturelle du nanofluide ZnO-EG/eau. Hu et al. [18, 19] ont étudié expérimentalement l'amélioration du transfert de chaleur par convection naturelle d'une enceinte carrée remplie de TiO₂ -eau et Al₂ O₃ -les nanofluides d'eau respectivement. Ho et al. [20] ont étudié expérimentalement le transfert de chaleur par convection naturelle d'enceintes carrées verticales de différentes tailles remplies d'Al₂ O₃ -nanofluide d'eau. Héris et al. [21,22,23] ont étudié expérimentalement les caractéristiques de transfert de chaleur par convection de différents types de nanofluide (Cu/eau, Al₂ O₃ -eau et CuO-eau) dans des tubes circulaires, respectivement. Mansour et al. [24] ont étudié expérimentalement la convection mixte d'un tube incliné rempli d'Al₂ O₃ -nanofluide d'eau. Chang et al. [25] ont étudié expérimentalement la convection naturelle de Al₂ O₃ -nanofluide d'eau dans des enceintes minces. Wen et al. [26, 27] ont étudié expérimentalement les caractéristiques de transfert de chaleur par convection d'Al₂ O₃ -nanofluides d'eau et TiO₂ -des nanofluides d'eau dans des conditions d'écoulement laminaire, respectivement. Xuan et al. [28] ont étudié expérimentalement le transfert de chaleur par convection du nanofluide Cu-eau dans un tube droit en laiton.

Les littératures ci-dessus ont apporté une grande contribution aux caractéristiques de transfert de chaleur par convection naturelle du nanofluide. Cependant, l'amélioration du transfert de chaleur par convection naturelle des enceintes avec différents angles de rotation remplis de nanofluide doit être étudiée plus avant. Par conséquent, la stabilité et les caractéristiques de transfert de chaleur par convection naturelle du TiO₂ -nanofluide d'eau dans des enceintes avec différents angles de rotation (α = −45°, α = 0°, α = 45°, et α = 90°) sont étudiés expérimentalement dans cet article.

Méthode

Préparation du nanofluide et sa stabilité

TiO₂ est choisi comme nanoparticules. La figure 1 présente les images SEM, TEM et XRD de TiO₂ nanoparticules à différents grossissements. On constate qu'à partir des images MEB que les nanoparticules se rassemblent facilement, il est nécessaire de prendre certaines mesures pour préparer les nanofluides stables. On peut également constater qu'à partir d'images MET, la taille des particules est d'environ 10 nm et les formes des nanoparticules sont plates. Les nanoparticules plates ont une plus grande surface de transfert de chaleur que les nanoparticules sphériques à la même fraction massique, ce qui est avantageux pour l'amélioration du transfert de chaleur. La figure 1g montre les modèles XRD du TTP-A10 TiO₂ nanoparticule. Comme observé, les pics forts et nets suggèrent que le TTP-A10 TiO₂ l'échantillon de nanoparticules est hautement cristallin. La taille moyenne des particules de l'échantillon peut être calculée par l'équation de Scherrer présentée dans l'équation. (1). Le TiO₂ les tailles de nanoparticules sont de 6, 9, 14, 20 et 35 nm calculées par ces valeurs de pic de diffraction (111, 200, 021, 202 et 311), et les plus petites tailles de nanoparticules sont d'environ 6 et 9 nm sur la base des valeurs de pic de diffraction (111 et 200). Les grandes tailles de nanoparticules peuvent être causées par l'agrégation de nanoparticules. Les valeurs les plus petites (6 et 9 nm) peuvent être les tailles réelles des nanoparticules, la taille de quelques nanoparticules peut être de 6 nm, et la plupart des tailles de nanoparticules peuvent être d'environ 9 nm, qui sont plus proches de la description fournie par le fabricant ( 10 nm) et les images TEM (10 nm).

où k est la valeur du facteur de forme, et k = 0,9 ; λ est la longueur d'onde des rayons X ; et β est la ligne s'élargissant sur toute la largeur à mi-hauteur (FWHM) de la hauteur du pic en radians, et θ est l'angle de diffraction de Bragg.

Morphologie des nanoparticules. Images SEM, TEM et XRD de TiO₂ nanoparticules à différents grossissements. un SEM × 20000. b SEM × 50000. c SEM × 100000. d TEM 20 nm. e TEM 50 nm. f TEM 100 nm. g XRD

TiO₂ -un nanofluide d'eau avec différentes fractions massiques de nanoparticules (% en poids = 0,1%,% en poids = 0,3% et% en poids = 0,5%) est préparé par la méthode en deux étapes, qui est illustrée à la Fig. 2. Le temps d'agitation mécanique est la moitié une heure pour chacune des sous-étapes, et le temps de sonication est de 40 min. Le tableau 1 montre les informations de certains matériaux et équipements dans la préparation de nanofluides. La figure 3 montre le TiO₂ -nanofluide d'eau avant la pose et après 72 h. On peut voir qu'il y a peu de dépôt de nanoparticules dans le tube à essai et le nanofluide préparé dans cet article montre une bonne stabilité.

Préparation de nanofluides. Procédure de préparation du TiO₂ -nanofluides d'eau par une méthode en deux étapes

Observation de la stabilité du TiO₂ -nanofluide d'eau. TiO₂ -nanofluide d'eau à différents moments. un Avant la pose. b Après 72h

En plus de l'étude pour savoir s'il y a dépôt de nanoparticules dans le tube à essai, les effets de la transmittance (τ ) du nanofluide sur sa stabilité sont également discutés. La figure 4 donne la transmittance (τ ) changements de TiO₂ -nanofluide d'eau (wt% = 0,5%) avec différentes valeurs de pH et doses (m ) d'agent dispersant. La transmittance est mesurée par un spectrophotomètre ultraviolet visible (UV-1800(PC)). Comme nous le savons, si les nanoparticules se répartissent uniformément dans l'eau, les nanoparticules réfléchiront le plus de lumière et auront une réflectance élevée (une faible transmittance). Par conséquent, la stabilité du nanofluide est inversement proportionnelle à la transmittance, et le nanofluide stable a une faible transmittance. On peut trouver à partir de la figure 4 que le nanofluide avec m = 6 % en poids et pH = 8 a la transmittance la plus faible et a la meilleure stabilité. Les nanofluides avec différentes fractions massiques de nanoparticules dans cette expérience sont préparés à m = 6 % en poids et pH = 8, ce qui peut assurer la stabilité des nanofluides.

Transmission de TiO₂ -nanofluide d'eau. Transmission (τ ) changements de TiO₂ -nanofluide d'eau (wt% = 0,5%) sous différentes valeurs de pH avec des temps (h ) à différentes doses (m ) d'agent dispersant. un m =5 % en poids. b m =6 % en poids. c m =7 % en poids. d m = 8 % en poids

Système expérimental

La figure 5 montre les diagrammes schématiques des trois ensembles expérimentaux. Les dimensions des trois enceintes rectangulaires sont de 10 cm (largeur) × 20 cm (hauteur), 5 cm (largeur) × 20 cm (hauteur) et 20 cm (largeur) × 20 cm (hauteur). La largeur et la hauteur sont définies comme W et H , respectivement, et le rapport hauteur/largeur (A ) de l'enceinte est défini comme A = W /H . La paroi gauche (plaque de cuivre) de l'enceinte est chauffée par une feuille chauffante en silicone reliée à une alimentation continue. La paroi droite (plaque de cuivre) de l'enceinte est refroidie par l'eau de refroidissement dans une petite cavité (le matériau est également en cuivre) reliée à un bain-marie à température constante. Les températures des deux côtés de l'enceinte sont obtenues par six thermocouples connectés à un instrument d'acquisition de données (Agilent 34972A). La couche d'isolation extérieure est utilisée pour empêcher la perte de chaleur.

Schémas de principe des ensembles expérimentaux. Diagrammes schématiques de trois ensembles expérimentaux de proportions différentes. un Un = 1:2. b Un = 1:4. c Un = 1:1

Les caractéristiques de transfert de chaleur par convection naturelle des deux enceintes avec des angles de rotation différents (α = −45°, α = 0°, α = 45°, et α = 90°) rempli de TiO₂ -eau nanofluide sont étudiés dans cet article. Pour le boîtier avec α = −90°, la paroi supérieure est la paroi chaude et la paroi inférieure est la paroi froide, et le transfert de chaleur dans l'enceinte est principalement la conduction thermique. Cependant, le manuscrit étudie principalement le transfert de chaleur par convection naturelle du nanofluide dans l'enceinte, d'où l'enceinte avec α = −90° n'est pas pris en compte dans ce manuscrit. La figure 6 montre le schéma des boîtiers avec différents angles de rotation.

Diagramme schématique des angles de rotation. Schéma de principe des enceintes avec quatre angles de rotation différents. un = −45°. b = 0°. c = 45°. d = 90°

Traitement des données

Le pouvoir Q fournie par la feuille chauffante en silicone est la suivante :

où U et Je sont respectivement la tension et l'électricité du courant continu.

La puissance effective Q _réseau est le suivant :

où Q _perte est la perte de chaleur mesurée par un débitmètre de chaleur.

La température du côté de la plaque de cuivre à côté de la feuille chauffante en silicone \( {T}_{\mathrm{H}}^{*} \) est la suivante :

où T ₁ , T ₂ , …, T ₆ sont les températures des thermocouples.

La température du côté de la plaque de cuivre (côté gauche du boîtier) à côté du nanofluide T _H est le suivant :

où δ = 0.005m est l'épaisseur de la plaque de cuivre, A est l'aire de la plaque de cuivre, λ _w est la conductivité thermique de la plaque de cuivre.

La température du côté de la plaque de cuivre (côté droit du boîtier) à côté de la couche d'isolation T _C ^∗ est le suivant :

où T ₇ , T ₈ , …, T ₁₂ sont les températures des thermocouples dans le côté droit de l'enceinte.

Lorsque l'état d'équilibre thermique est atteint, la température de l'eau de refroidissement est la même que la température du côté de la plaque de cuivre à côté de l'eau de refroidissement. La température du côté de la plaque de cuivre (côté droit du boîtier) à côté du nanofluide T _C peut être calculé comme suit :

La température qualitative T _m est défini comme suit :

Le coefficient de transfert de chaleur convectif h est le suivant :

Le numéro de Nusselt est défini comme suit :

où λ _f est la conductivité thermique du fluide dans l'enceinte.

Analyse d'incertitude

La formule de transfert d'erreur du coefficient de transfert de chaleur par convection est la suivante [19] :

La formule de transfert d'erreur du nombre de Nusselt est la suivante [19] :

Sur la base des équations. (10) et (11), les erreurs du coefficient de transfert de chaleur convectif et du nombre de Nusselt sont respectivement de 5,65 et 6,34 % dans cette expérience. On peut constater que les erreurs des ensembles expérimentaux sont faibles, ce qui peut garantir la fiabilité et la précision des résultats expérimentaux.

Résultats et discussions

Validation de l'expérience

Avant l'étude sur les nanofluides, la validation de l'expérience est nécessaire. La figure 7 montre la comparaison des nombres de Nusselt entre les résultats expérimentaux de l'eau et les résultats de la littérature publiée pour les enceintes avec A = 1:2, A = 1:4, et A = 1:1. Les erreurs maximales pour les boîtiers avec A = 1:2, A = 1:4, et A = 1:1 sont de 8,4, 9,5 et 8,1 %, respectivement. On peut constater que les résultats expérimentaux ont un bon accord avec les résultats de la littérature publiée [20, 29], qui vérifie la précision et la fiabilité du système expérimental.

Validation de l'ensemble d'expériences. Comparaison des nombres de Nusselt entre les résultats expérimentaux et la littérature publiée dans des enceintes avec deux rapports d'aspect différents. un Un = 1:2. b Un = 1:4. c Un = 1:1

Boîtier avec A = 1:2

Les effets des angles de rotation sur les caractéristiques de transfert de chaleur par convection naturelle du TiO₂ -eau nanofluide sont discutés dans cet article. La figure 8 présente les changements des nombres de Nusselt moyens avec les angles de rotation de l'enceinte avec A = 1:2. On peut trouver à partir de la figure 8 que les nombres de Nusselt augmentent d'abord puis diminuent avec les angles de rotation. L'enceinte avec angle de rotation α = 0° a le nombre de Nusselt le plus élevé suivi de l'enceinte avec des angles de rotation α = 45° et α = 90°, l'enceinte avec angle de rotation α = −45° a le plus petit nombre de Nusselt. La conduction thermique joue un rôle de plus en plus important lorsque l'angle de rotation diminue (α ≤ −90°), et le transfert de chaleur est presque une conduction thermique lorsque l'angle de rotation diminue à α = −90°. Lorsque la paroi chaude se localise en haut et la paroi froide se localise en bas de l'enceinte (α = −90°), la direction de la flottabilité est ascendante, mais la paroi supérieure empêche le fluide de se déplacer vers le haut. Le mouvement du nanofluide dans l'enceinte est faible et le principal transfert de chaleur est la conduction thermique, ce qui provoque un petit nombre de Nusselt. L'enceinte avec α = −45° est plus proche de l'enceinte avec α = −90° et montre le plus petit nombre de Nusselt par rapport aux autres angles de rotation. Pour les enceintes avec angles de rotation α = 45° et α = 90°, le fluide près de la paroi chaude inférieure est chauffé et se déplace vers le haut et le fluide près de la paroi froide supérieure se refroidit et se déplace vers le bas. Les sens du fluide chaud et du fluide froid sont opposés et empêchent le transfert de chaleur par convection naturelle, ce qui provoque un nombre de Nusselt inférieur par rapport à l'enceinte avec α = 0° mais un nombre de Nusselt plus élevé par rapport à l'enceinte avec α = −45°. On constate également que les différences entre les divers angles de rotation augmentent avec la puissance de chauffe. En effet, les effets des angles de rotation jouent le rôle principal sur le transfert de chaleur à faible puissance de chauffage et les effets de la convection sur le transfert de chaleur sont faibles. Cependant, l'intensité du transfert de chaleur par convection augmente avec la puissance de chauffage et joue le rôle principal sur le transfert de chaleur à puissance de chauffage élevée, ce qui provoque les plus grandes différences entre les différents angles de rotation à puissance de chauffage élevée par rapport à celle à puissance de chauffage faible.

Changements des nombres de Nusselt avec des angles de rotation (A = 1:2). Le nombre moyen de Nusselt change du nanofluide avec les angles de rotation de l'enceinte (A = 1:2) à différentes puissances de chauffe. un Q = 1 W. b Q = 5 W. c Q = 10 W. d Q = 15 W. e Q = 20 W

En plus des angles de rotation, les effets de la fraction massique des nanoparticules sur le transfert de chaleur par convection naturelle sont également discutés. La figure 9 montre les changements des nombres de Nusselt moyens avec les fractions massiques des nanoparticules. On peut constater que les nombres de Nusselt augmentent avec les fractions massiques des nanoparticules. Pour la puissance de chauffage Q = 1 W et α = 0°, TiO₂ -le nanofluide d'eau avec % en poids = 0,1%, % en poids = 0,3% et % en poids = 0,5% peut améliorer le transfert de chaleur de 9,3, 21,8 et 28,7% par rapport à l'eau, respectivement. Le taux d'amélioration diminue avec la puissance de chauffe. Pour la puissance de chauffage Q = 20 W et α = 0°, TiO₂ -un nanofluide d'eau avec % en poids = 0,1%, % en poids = 0,3% et % en poids = 0,5% peut améliorer le transfert de chaleur de 1,4, 4,6 et 6,6% par rapport à l'eau, respectivement. L'intensité de la turbulence joue un rôle majeur à haute puissance de chauffage, et les effets de la fraction massique des nanoparticules sur le transfert de chaleur deviennent faibles.

Changements des nombres de Nusselt avec les fractions massiques des nanoparticules (A = 1:2). Nombre moyen de Nusselt changements de nanofluide dans l'enceinte (A = 1:2) avec des fractions massiques de nanoparticules à différentes puissances de chauffage. un Q = 1 W. b Q = 5 W. c Q = 10 W. d Q = 15 W. e Q = 20 W

Les effets des puissances de chauffage sur le transfert de chaleur par convection naturelle sont étudiés dans cet article. La figure 10 montre les changements des nombres de Nusselt moyens avec la puissance de chauffage. Pour α = 0°, TiO₂ -nanofluide d'eau à Q = 5 W, Q = 10 W, Q = 15 W, et Q = 20 W peut améliorer le transfert de chaleur de 280,2, 428,4, 544,1 et 581,5% par rapport à celui de Q = 1 W. Une puissance de chauffe élevée augmente l'intensité des turbulences et améliore le transfert de chaleur.

Changements des nombres de Nusselt avec puissance de chauffe (A = 1:2). Nombre moyen de Nusselt changements de nanofluide dans l'enceinte (A = 1:2) avec une puissance de chauffage à différents angles de rotation. un = −45°. b = 0°. c = 45°. d = 90°

Boîtier avec A = 1:4

Afin d'étudier les effets des rapports d'aspect des enceintes sur le transfert de chaleur, les caractéristiques de transfert de chaleur par convection naturelle de l'enceinte avec A = 1:4 rempli de TiO₂ -les nanofluides d'eau sont étudiés. La figure 11 donne les changements des nombres de Nusselt moyens avec les angles de rotation de l'enceinte. On peut obtenir qu'une conclusion similaire comme A = 1:2 que les nombres de Nusselt augmentent d'abord puis diminuent avec les angles de rotation. Pour le nanofluide avec l'exemple wt% = 0,5%, les différences entre A = 1:4 et A = 1:2 sont que les taux d'amélioration (de 6,5 à 20,7%) du nombre de Nusselt dans l'enceinte (A = 1:4, α = 0°) par rapport à celui de l'enceinte (A = 1:4, α = −45°) sont supérieurs aux taux de rehaussement (de 2,85 à 9,3%) du nombre de Nusselt dans l'enceinte (A = 1:2, α = 0°) par rapport à celui de l'enceinte (A = 1:2, α = −45°).

Changements des nombres de Nusselt avec des angles de rotation (A = 1:4). Les nombres moyens de Nusselt changent de nanofluide avec les angles de rotation de l'enceinte (A = 1:4) à différentes puissances de chauffage. un Q = 1 W. b Q = 5 W. c Q = 10 W. d Q = 15 W. e Q = 20 W

La figure 12 présente les changements des nombres de Nusselt moyens avec les fractions massiques des nanoparticules. Pour la puissance de chauffage Q = 1 W et α = 0°, TiO₂ -le nanofluide d'eau avec % en poids = 0,1%, % en poids = 0,3% et % en poids = 0,5% peut améliorer le transfert de chaleur de 7,1, 20,2 et 29,5% par rapport à l'eau, respectivement. Le taux d'amélioration diminue avec la puissance de chauffe. Pour la puissance de chauffage Q = 20 W et α = 0°, TiO₂ -le nanofluide d'eau avec % en poids = 0,1%, % en poids = 0,3% et % en poids = 0,5% peut améliorer le transfert de chaleur de 2,9, 11,8 et 15,1% par rapport à l'eau, respectivement.

Changements des nombres de Nusselt avec les fractions massiques des nanoparticules (A = 1:4). Nombre moyen de Nusselt changements de nanofluide dans l'enceinte (A = 1:4) avec des fractions massiques de nanoparticules à différentes puissances de chauffage. un Q = 1 W. b Q = 5 W. c Q = 10 W. d Q = 15 W. e Q = 20 W

La figure 13 montre les changements des nombres de Nusselt moyens avec la puissance de chauffage. Les nombres moyens de Nusselt de nanofluide peuvent être améliorés de 242,4% ~ 701,5% par rapport à l'eau à la puissance de chauffage Q = 1 W. Pour α = 0°, TiO₂ -nanofluide d'eau avec % en poids = 0,5 % à Q = 5 W, Q = 10 W, Q = 15 W, et Q = 20 W peut améliorer le transfert de chaleur de 253,0, 419,9, 540,3 et 635,6% par rapport à celui de Q = 1 W, respectivement.

Changements des nombres de Nusselt avec puissance de chauffe (A = 1:4). Nombre moyen de Nusselt changements de nanofluide dans l'enceinte (A = 1:4) avec une puissance de chauffage à différents angles de rotation. un = −45°. b = 0°. c = 45°. d = 90°

Comparaison entre A = 1:2, A = 1:4, et A = 1:1

En raison de la longueur limitée de cet article, les résultats de la clôture avec A = 1:1 ne sont donnés que sur la figure 14, et les effets de différents angles de rotation, fractions massiques de nanoparticules et puissances de chauffage sur le transfert de chaleur peuvent tous être montrés sur la figure 14. Afin de comparer les caractéristiques de transfert de chaleur des enceintes avec Un = 1:2, A = 1:4, et A = 1:1, la figure 14 montre la comparaison des nombres de Nusselt moyens entre A = 1:2, A = 1:4, et A = 1:1 à différents angles de rotation. On constate que les nombres de Nusselt augmentent avec le rapport hauteur/largeur de l'enceinte. Les numéros de boîtier Nusselt (A = 1:1 et A = 1:2) peut être amélioré de 190,6% ~ 224,4% et 103,6% ~ 172,0% par rapport aux nombres Nusselt de boîtier (A = 1:4) dans les mêmes conditions, respectivement. Pour Q = 1 W et α = 0° exemple, nanofluide avec wt% = 0,5%, wt% = 0,3%, wt% = 0,1% et wt% = 0,0% dans l'enceinte avec A = 1:2 peut améliorer le transfert de chaleur de 120,4, 124,9, 126,5 et 121,9 % par rapport à celui du boîtier avec A = 1:4. Le taux d'amélioration diminue avec la puissance de chauffe. vPour Q = 20 W et α = 0°, nanofluide avec wt% = 0,5%, wt% = 0,3%, wt% = 0,1% et wt% = 0,0% dans l'enceinte avec A = 1:2 peut améliorer le transfert de chaleur de 104,2, 106,5, 117,6, 120,7% par rapport à celui de l'enceinte avec A = 1:4. On constate également que les augmentations du nombre de Nusselt de wt% = 0,1% à wt% = 0,3% sont plus grandes que celles de wt% = 0,3% à wt% = 0,5%. En effet, l'augmentation de la conductivité thermique joue le rôle principal dans le transfert de chaleur de % en poids = 0,1% à% en poids = 0,3%, ce qui provoque une grande amélioration. Mais l'augmentation de la viscosité commence à jouer le rôle principal dans le transfert de chaleur de % en poids = 0,3% à% en poids = 0,5%, ce qui provoque une petite amélioration. Étant donné que la figure 14 peut couvrir tous les résultats expérimentaux, les résultats détaillés de la figure 14 sont présentés dans les tableaux 2, 3 et 4.

Comparaison des nombres de Nusselt entre différents rapports d'aspect. Comparison of average Nusselt numbers of nanofluid in different aspect ratios (A  = 1:1, A  = 1:2, and A = 1:4) and rotation angle enclosures at different heating powers. un Q  = 1 W. b Q  = 5 W. c Q  = 10 W. d Q  = 15 W. e Q  = 20 W

Conclusions

The stability and natural convection heat transfer characteristics of the two enclosures with different rotation angles (α  = −45°, α  = 0°, α  = 45°, and α  = 90°) filled with TiO₂ -water nanofluid are experimentally investigated. Some conclusions are obtained as follows:

1. (1)

   TiO₂ -water nanofluid with m  = 6 wt% and pH = 8 has the lowest transmittance and has the best stability.

2. (2)

   The enclosure with rotation angle α  = 0° has the highest Nusselt number followed by the enclosure with rotation angles α  = 45° and α  = 90°; the enclosure with rotation angle α  = −45° has the lowest Nusselt number.

3. (3)

   There is a higher heat transfer performance in a bigger aspect ratio enclosure. The Nusselt numbers of enclosure (A  = 1:1 and A  = 1:2) can be enhanced by 190.6% ~ 224.4% and 103.6% ~ 172.0% compared with the Nusselt numbers of enclosure (A  = 1:4) at the same conditions.

4. (4)

   Nusselt numbers increase with nanoparticle mass fractions, but the enhancement ratio decreases with the heating power.

5. (5)

   Average Nusselt numbers increase with the heating power. Average Nusselt numbers of nanofluid can be enhanced by 701.5% compared with water at the best.