Dikdörtgen kesitli mikrokanallarda ZnO-etilen glikol nanoakışkanının akış ve ısı transferi karakteristiklerinin sayısal olarak modellenmesi
Computational modeling of fluid flow and heat transfer characteristics of ZnO-ethylene glycol nanofluid through rectangular cross-sectioned microchannels
Yazar: CÜNEYT UYSAL
Danışman: DOÇ. DR. KAMİL ARSLAN
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, farklı en-boy oranlarına sahip dikdörtgen kesitli mikrokanallarda farklı nanopartikül hacimsel oranlarındaki ZnO-Etilen glikol (EG) nanoakışkanının akış ve ısı transferi karakteristikleri sayısal olarak incelenmiştir. Akış için üç boyutlu, sürekli, sıkıştırılamaz, hidrodinamik olarak tam gelişmiş, ısıl olarak gelişmekte olan, laminer akış şartları (10 Re 100) göz önüne alınmıştır. Mikrokanalların alt yüzeylerine 1000 W/m2'lik sabit ısı akısı uygulanmıştır. İlk olarak, ısıl ve hidrodinamik olarak en iyi akış ve ısı transferi performansına sahip mikrokanal geometrisinin belirlenmesi amacıyla, öncelikle çalışma akışkanı olarak etilen glikol kullanılarak sayısal çalışma gerçekleştirilmiştir. Çalışmada ANSYS Fluent 15.0 paket programı kullanılmıştır. ZnO-EG nanoakışkanının farklı nanopartikül hacimsel oranlarında akış ve ısı transferi karakteristikleri sunulmuştur. ZnO-EG nanoakışkanının mikrokanal içerisindeki akışı tek fazlı ve çift fazlı akış modelleri kullanılarak ayrı ayrı modellenmiştir. Tek fazlı ve çift fazlı modellerden elde edilen sonuçlar kıyaslanmıştır.   = 1,0 en-boy oranına sahip dikdörtgen kesitli mikrokanalın ısıl ve hidrodinamik olarak çalışmada kullanılan diğer mikrokanallara kıyasla daha üstün performansa sahip olduğu tespit edilmiştir. Tek fazlı model sonuçlarına göre, ısı taşınım katsayısındaki maksimum iyileşme Re = 10'da % 19,33 olarak % 4,0 nanopartikül hacimsel oranına sahip ZnO-EG nanoakışkanı için elde edilmiştir. Re = 100'de, % 4,0 nanopartikül hacimsel oranına sahip ZnO-EG nanoakışkanı için elde edilen basınç düşümü değeri etilen glikol için elde edilen değerden % 29,23 daha fazladır. Akışın birim uzunluk başına toplam entropi üretimi değeri ZnO-EG nanoakışkanının nanopartikül hacimsel oranının artmasıyla artmaktadır. Çift fazlı model sonuçlarına göre ise, ısı taşınım katsayısındaki maksimum iyileşme Re = 10'da % 187,36 olarak % 4,0 nanopartikül hacimsel oranına sahip ZnO-EG nanoakışkanı için elde edilmiştir. Akışın basınç düşümü ise, tek fazlı modelin tersine, nanopartikül hacimsel oranının artmasıyla azalmaktadır. Re = 10'da, % 4,0 nanopartikül hacimsel oranına sahip ZnO-EG nanoakışkanı için elde edilen basınç düşümü değeri saf etilen glikol için elde edilen değerden % 3,98 daha düşüktür. Basınç düşümündeki bu azalmadan dolayı, nanoakışkanının nanopartikül hacimsel oranının artmasıyla akışın birim uzunluk başına toplam entropi üretimi de azalmaktadır. Çift fazlı akış modellemesinden elde edilen sonuçlar literatürdeki deneysel sonuçlar ile tek fazlı akış modellemesine kıyasla daha iyi bir uyum göstermiştir. ZnO-EG nanoakışkanının çift fazlı olarak modellenerek elde edilen ısıl ve hidrodinamik performans parametreleri tek fazlı modellemeden elde edilen değerlere kıyasla daha yüksek olduğu görülmüştür.

Abstract:
In this study, flow and heat transfer characteristics of ZnO-Ethylene glycol nanofluid for different nanoparticle volume fractions through rectangular microchannels having different aspect ratios are numerically investigated. Flow is considered under three-dimensional, steady, incompressible, hydrodynamically fully developed, thermally developing, laminar flow (10 Re 100) conditions. Fixed heat flux of 1000 W/m2 is applied to bottom surface of microchannels. Firstly, computational study was realized by using ethylene glycol as working fluid to be able to determine the microchannel geometry having the best flow and heat transfer performance thermally and hydrodynamically. ANSYS Fluent 15.0 packaged software was used. The flow and heat transfer characteristics of ZnO-EG nanofluid for different nanoparticle volume fractions are presented. ZnO-EG nanofluid flow through microchannel is separately modeled by using both single and two phase models. Results obtained for single and two phase model are compared. It is determined that the rectangular microchannel having aspect ratio of   = 1.0 has thermally and hydrodynamically better performance compared to other microchannels used in the study. According to the results of single phase model, the maximum convective heat transfer enhancement is obtained to be 19.33% at Re = 10 for ZnO-EG nanofluid having nanoparticle volume fraction of 4.0%. At Re = 100, pressure drop value obtained for ZnO-EG nanofluid having nanoparticle volume fraction of 4.0% is 29.23% higher compared to that of ethylene glycol. Total entropy generation per unit length of flow increases with increase in nanoparticle volume fraction of ZnO-EG nanofluid. According to the results of two phase model, the maximum convective heat transfer enhancement is obtained to be 187.36% at Re = 10 for ZnO-EG nanofluid having nanoparticle volume fraction of 4.0%. Pressure drop of flow, contrary to single phase model, decreases with increase in nanoparticle volume fraction. At Re = 10, pressure drop value obtained for ZnO-EG nanofluid having nanoparticle volume fraction of 4.0% is 3.98 % lower than that of ethylene glycol. Resulting from this decrease in pressure drop, total entropy generation per unit length decreases with increase in nanoparticle volume fraction. The results obtained from two phase flow modeling are in good agreement with experimental results in literature compared to that of single phase flow modeling. It is seen that thermal and hydrodynamics performance parameters obtained by two phase modeling of ZnO-EG nanofluid are higher compared to values obtained by single phase modeling.