Nano sıvı metallerin manyetik alan altındaki akış ve ısı transferi davranışlarının sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of flow and heat trasnfer behaviours of liquid metal based nanofluids under magnetic field
Yazar: SUAT ÖZGÜR
Danışman: DOÇ. DR. ENGİN GEDİK
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: ANSYS = ANSYS ; Isı geçişi = Heat transfer ; Laminer akış = Laminar flow ; Manyetik alanlar = Magnetic fields ; Nanoakışkanlar = Nanofluids ; Sayısal analiz = Numerical analysis ; Sıvı metaller = Liquid metals

Özet:
Bu çalışmada, dairesel kesitli bir boruda sıvı metal bazlı nanoakışkanların akış ve ısı transferi karakteristikleri sayısal olarak incelenmiştir. Nanoakışkan olarak Galyum (Ga) sıvı metal bazlı ve üç farklı hacimsel konsantrasyon oranlarına (φ=0.03, 0.06 ve 0.09) sahip Ga-Al2O3, Ga-Cu ve Ga-CNT nanoakışkanları kullanılmıştır. Akış boru girişinde uniform ve sabit sıcaklıkta (310 K) olup boru yüzeyine sabit ısı akısı (𝑞 "=5000 W/m2K) uygulanmış ve çözümlemeler laminer akış (Re=1000) şartlarında gerçekleştirilmiştir. Sayısal çözümleme için sonlu hacimler tekniğine dayalı çözümleme yapabilen Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yazılımı olan ANSYS Fluent programı kullanılmıştır. Akışa uygulanan manyetik alan indüksiyonu, nanopartikül hacimsel konsantrasyon oranı ve sıvı metal nanoakışkan tipi gibi parametrelerin akış ve taşınımla ısı transferi karakteristiklerine etkisi belirlenmiştir. Çalışmadan elde edilen sonuçlara göre Ga içerisine nanopartikül ilave edilmesi (Al2O3 hariç) taşınımla ısı transferi miktarını arttırmıştır. Manyetik alan uygulanmadığı durumda, en yüksek taşınımla ısı transfer artış miktarı Galyum kullanılan duruma göre %15,01'e varan artış sunan %6,0 CNT/Ga nanoakışkanında elde edilmiştir. Manyetik alan uygulanan durumda ise bu oran aynı akışkan için %20,88 olmuştur. Akışa manyetik alan uygulanması ısı transferini daha fazla arttırmıştır. Bununla birlikte akışa nanopartikül ilavesi ve manyetik alan indüksiyonu yüksek basınç düşümü değerlerine neden olmuştur. Isı transferi artışına karşın basınç düşümü değerlendirildiği zaman Ga sıvı metal içine nanopartikül ilavesi ve manyetik alan uygulamasının efektif
olmadığı sonucuna ulaşılmıştır. 

Anahtar Sözcükler : Sıvı metal, sıvı metal bazlı nanoakışkanlar, manyetik alan, ısı transferi, laminer akış, ANSYS, sayısal analiz

Abstract:
In this study, the flow and heat transfer characteristics of liquid metal-based nanofluids in a circular tube were investigated numerically. Ga-Al2O3, Ga-Cu and Ga-CNT nanofluids with three different volumetric concentration ratios (φ=0.03, 0.06 and 0.09) based on Gallium (Ga) liquid metal were used as nanofluids. The flow is uniform and at constant temperature (310 K) at the pipe inlet, and a constant heat flux (q^"=5000 W/m2K) is applied to the pipe surface and the analyzes are carried out under laminar flow (Re=1000) conditions. For numerical analysis, ANSYS Fluent program, which is
a Computational Fluid Dynamics (CFD) software that can analyze based on the finite volume method, was used. The effects of some parameters such as magnetic field induction applied to the flow, nanoparticle volumetric concentration ratio and liquid metal nanofluid type on the flow and convection heat transfer characteristics were determined. According to the results obtained from the study, the addition of nanoparticles into Ga (except Al2O3) increased the amount of convection heat transfer. In the absence of magnetic field, the highest convective heat transfer increase was obtained in 6.0%CNT/Ga nanofluid, which offers an increase of up to 15.01% compared to the case using Ga base fluid. In the case of magnetic field applied, this ratio was 20.88% for the same fluid. The application of magnetic field to the flow further increased the convection heat transfer. However, addition of nanoparticles to the flow and application of magnetic field caused higher pressure drop values. When the pressure drop is evaluated together despite the heat transfer increase, it was
concluded that the addition of nanoparticles into the Ga liquid metal and the application of magnetic field were not effective. 

Key Word : Liquid metal, liquid metal based nanofluids, magnetic field, heat transfer laminar flow, ANSYS, numarical analysis