Farklı bifurkasyon modellerinde newtonian ve non-newtonian akışkanlar için akış ve ısı transferinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of flow and heat transfer in newtonian and non-newtonian fluids in different bifurcation models
Yazar: MANSUR MUSTAFAOĞLU
Danışman: PROF. DR. İSAK KOTCİOĞLU
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Fraktal = Fractal ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Kan akış hızı = Blood flow velocity ; Kayma gerilmesi = Shear stress ; Çatallanma = Bifurcation

Özet:
Amaç: Bu tez çalışmasının amacı, mükemmel bir canlı varlık olan insan bedeninde kan akışını sağlayan damarlardaki akış koşullarını dikkate alarak, benzer özelliklerde farklı boyut ve seviyelerde tasarlanan yeni ve fraktal özellikli (bifurkasyon, trifurkasyon) akış sistemlerinde sürekli ve pulsatile (darbeli) akış şartlarında Newtonian (su) ve Newtonian olmayan (kan) akışa ait hız, basınç ve sıcaklık değişimlerini elde etmektir. Fraktal özellikli yeni tip ısı değiştiricilerde yapılacak akış ve ısı transfer deneylerinin veri analizlerinden, biomedical çalışmalara katkıda bulunabileceği öngörülen sonuçların üretilmesi amaçlanmaktadır.
Yöntem: Bu deneysel çalışmanın amacına uygun olarak; önce farklı açı, uzunluk ve çaplara sahip olacak şekilde tasarlanan çoklu akış sistemlerinin SOLIDWORKS yazılımı yardımıyla 3D çizimleri yapıldı. Daha sonra, akış ve ısı transfer deneylerinin yapılması için fraktal özellikli akış sistemlerinin (dallar şeklinde) şeffaf plastik ve bakır malzemeden üretimleri gerçekleştirildi. Pratikte karşılaşılan uygulama alanlarına uygun olarak; normal, daralan (damarlardaki yağ veya tıkanma) ve genişleyen (damar genişlemesi) akış kanalları üretilmiştir. Yöntem olarak normal veya bozuk damar (kanallar) içindeki akışın yapısı ve davranışını incelemek için benzer özellikli akış ve ısı transfer deneyleri tasarlandı ve yapılan deneysel çalışma sonucunda gerekli karşılaştırmalar yapıldı. Akış deneylerinde akışkan olarak, Newtonian (su) ve non-Newtonian (XANTHAN-GUM tipi) akışkanlar kullanılırken, ısı transfer deneylerinde sadece Newtonian (su) akışkan kullanıldı. Newtonian olmayan akışkan olarak kan özellikleri taşıyan iki farklı tür (XANTHAN-GUM ve XANTHAN-GUM+Gliserin) kimyasalla konsantre edilmiş akışkanlar kullanıldı.  Deneylerin üç farklı akışkan için gerçekleştirilmiş olmasının yanı sıra, deneyler ayrıca sürekli ve pulsatile (darbeli) akış şartlarında gerçekleştirildi. Pulsatile akışı sağlamak için sistemde diyaframlı (kalp) pompa kullanıldı. Sürekli ve pulsatile akış şartlarında, tasarlanan ve deneyleri gerçekleştirilen akış sistemlerinde (damarlarda) akan (Newtonian ve non-Newtonian) akışkanların davranışlarını incelemek için ANSYS-Fluent yazılımında gerekli simülasyonlar yapıldı. Ayrıca, yeni tasarlanan ısı değiştirici modellerine ait ısı transfer deneyleri yapılarak gerekli analizlerin yapılması sağlandı.
Bulgular: Yapılan bu tez çalışmasında, tasarlanan farklı fraktal özellikli akış sistemleri ve ısı değiştiricilerde akış ve ısı transfer analizleri yapıldı. Çoklu akış sistemlerine ait dirençler ve basınçlarla ilgili matematiksel ifadeler geliştirildi. Akış ve akışkan türlerine göre deneysel ve sayısal sonuçlar tablo ve grafikler halinde verildi. Zamana göre basınç değişimleri incelendiğinde, pulsatile(darbeli) akış şartlarında basınç değişimlerinin sürekli akış şartlarındaki basınç değişimlerinden daha büyük olduğu gözlendi. Ayrıca giriş ve çıkış arasındaki basınç farklarının akış sistemleri içerisinden geçen akışkan debisine göre değişimleri araştırıldı. Kendi içinde pulsatile akış şartlarında, Newtonian olmayan Tip 2 akışkanların basınç farklarının akışkan debilerine göre değişimlerinin, diğer akış türü ve akışkanlardan daha yüksek olduğu tespit edildi. Bunlara ait ANSYS-Fluent paket programında yapılan CFD çözümlerine ait analiz sonuçları her bir dallanma seviyesinde kontur ve vektörel formda verildi. Farklı türdeki akışkanların boru (damar) içerisindeki davranışını görmek ve açıklamak için özellikle hız (vektörel-kontur) kontur ve sıcaklık (kontur) olarak sunulmaya çalışıldı. Çoklu akış sistemleri boyunca her seviyede basınç değişimleri grafik olarak verildi. Pulsatile akış şartlarında Newtonian olmayan Tip 2 akışkanların viskozitesinin diğerlerine göre yüksek olması nedeniyle, zamanla basıncın değişiminin diğer akış ve akışkan türlerinden yüksek olduğu belirlendi. Newtonian akışkan (su) için ısı transfer deneyleri, ısıtma ve soğutma amaçlı tasarlanmış çok akışlı yeni tip ısı değiştiricileri ile sürekli akış şartlarında gerçekleştirildi. Deneylerden elde edilen sonuçlar grafiklerle verilirken, ısı transferi ile ilgili nümerik analizlerin CFD çözümlerinin sonuçları kontur olarak verilmiştir. Farklı akışkan debilerinde ve giriş sıcaklıklarında sıcaklığın dallanma seviyelerine, Re sayısının x/L oranına, ısı transfer (Qh) miktarının x/L oranına ve Nu sayısının Gr sayısına göre değişimleri incelendi ve sonuçlar grafik olarak verildi. Akışkan akış hızı ve giriş sıcaklıkları arttıkça Nu sayısı ve ısı transfer miktarlarının giderek arttığı tespit edilmiştir. Bu sonuçlar, ısı değiştiriciler üzerinde alınan farklı kesit düzlemlerde ve farklı sıcaklıklarda üç farklı ısı değiştirici için gösterildi.  
Sonuç: Farklı boyut, seviye ve dal sayılarında tasarlanan çoklu akış sistemleri ve ısı değiştiriciler için farklı akış şartlarında, farklı akış ve akışkan türlerinde akışkanlar kullanılarak deneysel çalışma yürütüldü. Çoklu akış sistemleri için toplam direnç (Eşitlik 69,91) ve basınç (Eşitlik 124) farklarıyla ilgili matematiksel ifadeler geliştirildi. Tablo ve grafiklerin değerlendirilmesinden bu tür çoklu akış sistemlerinde max.dal (n) ve seviye (N) sayısı için akış hızı ve basınç düşüşünün giderek kademeli bir şekilde azaldığı tespit edildi. Bu tür akış sistemlerine göre tasarladığımız ısı değiştiricilerin ısı transferi açısından daha etkin olduğu ortaya konulmuştur. İnsan vücudunda bulunan damarlardaki kan dolaşım sistemini esas alarak geliştirilen çoklu akış sistemlerine ait matematiksel ifadelerin, yeni tip ısı değiştiricilerin tasarlanmasına ve bilimsel literatüre önemli katkılar sunması beklenmektedir.

Abstract:
Purpose: The aim of this thesis is, considering the flow conditions in the vessels that provide blood flow in the human body, which is a perfect living being, in new and fractal flow systems (bifurcation, trifurcation) designed with similar properties in different sizes and levels, in continuous and pulsatile flow conditions, Newtonian (water) and Newtonian It is to obtain the velocity, pressure and temperature changes of the non-flowing (blood) flow. It is aimed to produce results that are predicted to contribute to biomedical studies from the data analysis of the flow and heat transfer experiments to be carried out in new type heat exchangers with fractal features.
Method: In accordance with the purpose of this experimental study; First, 3D drawings of multi-flow systems designed to have different angles, lengths and diameters were made with the help of SOLIDWORKS software. Then, fractal flow systems (in the form of branches) were produced from transparent plastic and copper materials for flow and heat transfer experiments. In accordance with the application areas encountered in practice; normal, narrowing (oil or blockage in the vessels) and expanding (vasodilation) flow channels are produced. As a method, flow and heat transfer experiments with similar properties were designed to examine the structure and behavior of the flow in normal or defected vessels (channels), and necessary comparisons were made as a result of the experimental study. While Newtonian (water) and non-Newtonian (XANTHAN-GUM type) fluids were used as fluids in flow experiments, only Newtonian (water) fluid was used in heat transfer experiments. Two different types of chemically concentrated fluids (XANTHAN-GUM and XANTHAN-GUM+Glycerin) with blood properties were used as non-Newtonian fluids. In addition to the fact that the experiments were carried out for three different fluids, the experiments were also carried out under continuous and pulsatile flow conditions. A diaphragm (heart) pump was used in the system to provide pulsatile flow. In order to examine the behavior of flowing (Newtonian and non-Newtonian) fluids in the designed and tested flow systems (veins) under continuous and pulsatile flow conditions, necessary simulations were made in ANSYS-Fluent software. In addition, heat transfer experiments of the newly designed heat exchanger models were carried out and necessary analyzes were made.
Findings:  In the experimental and numerical study, new mathematical expressions were developed for multi-flow systems and heat exchangers with different sizes, levels and branch numbers. Mathematical expressions related to resistances and pressures of multi-flow systems were developed. Experimental and numerical results according to flow and fluid types are given in graphics and tables. When the pressure changes with respect to time were examined, it was observed that the pressure changes in pulsatile (pulsed) flow conditions were larger than the pressure changes in continuous flow conditions. In addition, the changes in the pressure differences between the inlet and outlet according to the flow of fluid passing through the flow systems were investigated. It has been determined that the pressure differences of non-Newtonian Type 2 fluids vary according to the fluid flow rates under pulsatile flow conditions, which are higher than those of other flow types and fluids. The analysis results of the CFD solutions made in the ANSYS-Fluent package program of these are given in contour and vector form at each branching level. In order to see and explain the behavior of different types of fluids in the pipe (vessel), especially velocity was tried to be presented as a vector and contour, and temperature was presented only as a contour. Pressure changes at each level across multi-flow systems are given graphically. Due to the fact that, the higher viscosity of non-Newtonian Type 2 fluids under pulsatile flow conditions, it was determined that the pressure change over time was higher than that of other flow and fluid types. Heat transfer experiments for Newtonian fluid (water) were carried out under continuous flow conditions with multi-flow new type heat exchangers designed for heating and cooling. While the results obtained from the experiments are given in graphics, the results of the CFD solutions of the numerical analyzes related to the heat transfer are given as contours. The changes in the temperature branching levels, the x/L ratio of the Re number, the x/L ratio of the heat transfer (Qh) rate and the Nu number according to the Gr number were investigated at different fluid flow rates and inlet temperatures, and the results were given graphically. It has been determined that as fluid flow rate and inlet temperatures increase, the number of Nusselt sayısı and heat transfer rates gradually increase. These results were demonstrated for three different heat exchangers in different cross-sectional planes taken on heat exchangers and at different temperatures.

Results:  Experimental study was carried out using fluids of different flow and fluid types under different flow conditions for multi-flow systems and heat exchangers designed in different sizes, levels and number of branches. Mathematical expressions related to total resistance (Eq. 69 and 91) and pressure differences (Eq. 124) were developed for multi-flow systems. From the evaluation of the tables and graphics, it was determined that the flow rate and pressure drop for the max. branch (n) and level (N) number in such multi-flow systems gradually decreased. It has been shown that heat exchangers designed according to such flow systems are more effective in terms of heat transfer. It is expected that the mathematical expressions of multi-flow systems developed based on the blood circulation system in the vessels in the human body will make significant contributions to the design of new types of heat exchangers and to the scientific literature.