Spiral boru akışında türbülatör ve nano akışkan kullanımının ısı transferine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of turbulator and nano fluid usage on heat transfer in spiral pipe flow
Yazar: MESUT DEMİRBİLEK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MERDİN DANIŞMAZ
Kırşehir Ahi Evran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Isı = Heat ; Isı akışı = Heat flow ; Isı analizi = Heat analysis ; Isı boruları = Heat pipes ; Isı geçişi = Heat transfer ; Isı iletimi = Heat conduction

Özet:
Bu tez çalışmada; düz, sarmal ve türbülatörlü (düz, 10, 50 ve 100 devirlik) sarmal olmak üzere 
6 farklı ısı tüpünün termo-akış davranışları sayısal olarak incelendi. İş akışkanı olarak su ve 
dört farklı nano akışkanlar (Su-Al2O3, Su-TiO2, Su-Fe2O3, Su-CuO) kullanılarak akışkanların 
ısı transferine etkisi araştırıldı. Spiral boru içerisine türbülatör yerleştirilmesinin ve türbülatör devrinin artırılmasının ısı transferine olan etkisi araştırıldı. Nano akışkanların yüzde yoğunluğu %3'tür. Düz, spiral ve türbülatörlü sarmal boruların çizim SolidWorks 2023 programı ile 
gerçekleştirildi ve ANSYS 20 R2 ortamına aktarıldı. Düz, spiral ve türbülatörlü sarmal 
boruların uzunluğu 3 777 m ve çapı 17 mm dir. Düz, spiral ve türbülatörlü sarmal boruların 
hesaplamalı akış dinamik modellemesi ANSYS 20 R2 programı ile gerçekleştirildi. Sayısal 
çalışma için iyileştirilmiş duvar fonksiyonlarında türbülanslı kinetik enerji - dağılım (k-ε) 
modeli kullanıldı. Geçerli eşitliklerin çözümü için ayrık sonlu hacim yöntemi kullanıldı. 
Çalışmada, türbülanslı ve laminer akışta ısı transferi koşulları dikkate alınarak akış ve ısı 
transferi analizleri yapıldı. Reynold sayısı, farklı nano akışkanlar, akış düzenlemeleri, 
türbülatörlerin devirleri vb. gibi önemli tasarım parametrelerinin etkisi esas ilgi konusuydu. 
Sonuçlar farklı Reynold sayısı aralıklarında su için (3000 - 40000), nano akışkanlar için (2000 - 40 000) gerçekleştirildi. Çalışma tüm boru tiplerinde 35 ℃ sabit duvar sıcaklığında 
gerçekleştirildi. Su ve nanoakışkanların 6 farklı boruda hız, basınç ve sıcaklık konturları 
oluşturuldu. Su ve nanoakışkanların 6 farklı boruda hız, basınç ve sıcaklık değerleri 
karşılaştırıldı. Su ve nano akışkanların 6 farklı boruda Nusselt sayısı (Nu), ısı transfer 
katsayısı(h), sürtünme faktörü (f), çıkış sıcaklığı (To) değerleri bulunarak bu 6 farklı boru için 
karşılaştırıldı. Reynolds sayısının artmasıyla tüm akışkanlar ve tüm boru tipleri için Nusselt 
sayılarının ve ısı taşınım katsayılarının arttığı, sürtünme faktörü ve çıkış sıcaklığı değerlerinin 
ise azaldığı bulundu. Su ve tüm nano akışkanları için spiral borunun diğer borulardan daha fazla 
ısı transferi ve basınç düşüşü sağladığı bulundu. Türbülatörün devirlerinin artırılmasının ısı 
transferine katkı sağlamadığı bulundu. Nanoakışkanlar arasında en yüksek ısı transferini Ti02 
sağladığı, en düşük ısı transferini ise CuO nanoakışkanı sağladığı bulundu. Suyun 
nanoakışkanlardan daha iyi ısı transferi sağladığı bulundu.

Abstract:
In this thesis study; Thermo-flow behaviors of 6 different heat tubes, including straight, spiral 
and turbulator (straight, 10, 50 and 100 rpm) spiral, were numerically examined. The effect of 
fluids on heat transfer was investigated by using water and four different nanofluids (Water
Al2O3, Water-TiO2, Water-Fe2O3, Water-CuO) as the working fluid. The effect of placing a 
turbulator in the spiral pipe and increasing the turbulator speed on heat transfer was 
investigated. The percentage density of nanofluids is 3%. The drawing of straight, spiral and 
turbulator spiral pipes was made with the SolidWorks 2023 program and transferred to the 
ANSYS 20 R2 environment. The length of straight, spiral and turbulator spiral pipes is 3 777 
m and their diameter is 17 mm. Computational flow dynamic modeling of straight, spiral and 
turbulent spiral pipes was carried out with ANSYS 20 R2 program. Turbulent kinetic energy - 
dissipation (k-ε) model in improved wall functions was used for the numerical study. The 
discrete finite volume method was used to solve the valid equations. In the study, flow and heat 
transfer analyzes were performed by taking into account heat transfer conditions in turbulent 
and laminar flow. Reynolds number, different nanofluids, flow arrangements, speeds of 
turbulators, etc. The influence of important design parameters such as was of main interest. The 
results were carried out in different Reynolds number ranges for water (3000 - 40000) and for 
nanofluids (2000 - 40 000). The study was carried out at a constant wall temperature of 35 ℃ 
on all pipe types. Velocity, pressure and temperature contours of water and nanofluids were 
created in 6 different pipes. Velocity, pressure and temperature values of water and nanofluids 
in 6 different pipes were compared. Nusselt number (Nu), heat transfer coefficient (h), friction 
factor (f), outlet temperature (To) values of water and nanofluids in 6 different pipes were found 
and compared for these 6 different pipes. It was found that with increasing Reynolds number, 
Nusselt numbers and heat transfer coefficients increased for all fluids and all pipe types, while 
friction factor and outlet temperature values decreased. It was found that the spiral pipe 
provided more heat transfer and pressure drop than other pipes for water and all nanofluids. It 
was found that increasing the turbulator speeds did not contribute to heat transfer. It was found 
that TiO2 provided the highest heat transfer among the nanofluids, while CuO nanofluid 
provided the lowest heat transfer. It was found that water provides better heat transfer than 
nanofluids.