Atımlı newtonumsu olmayan akışkan akışının hidrodinamik ve ısıl incelenmesi
Hydrodynamic and thermal investigation of pulsating non-newtonian fluid flow
Yazar: AYŞE NUR ALTUNKAYA
Danışman: PROF. DR. ORHAN AYDIN
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, power-law modeli dikkate alınarak Newtonumsu olmayan akışkanların bazı temel geometrilerdeki (düzlemsel, dairesel kesitli ve eş merkezli halkasal kesitli kanal) atımlı giriş akışının akış ve ısı transferi üzerindeki etkisi analitik olarak incelenmiştir. Akış, hidrodinamik ve termal açıdan tam gelişmiş ve laminer olarak kabul edilmiştir. Kanal cidarlarında sabit ısı akısı ısıl sınır koşulu ele alınmıştır. Süreklilik, momentum ve enerji korunum denklemlerinin çözümünde seri açılımına dayalı pertürbasyon yöntemi kullanılmıştır. Ayrıca, dairesel kesitli bir kanal içinde laminer atımlı akışta, akışkan için power-law modeli dikkate alınarak; hidrodinamik gelişme uzunluğu sayısal olarak incelenmiştir.
İncelenen her bir geometri için farklı genlik, frekans ve power-law indeksi değerlerinde; ortalama hız, maksimum/minimum ve ortalama sürtünme faktörü, boyutsuz yığın ve cidar sıcaklığı ve Nusselt sayısı verileri elde edilmiştir. Genel karakter olarak; boyutsuz frekansın, belirli bir değer aralığında sürtünme faktörü üzerinde etkili olduğu ve bu aralığın power-law indeksi artışıyla genişlediği görülmüştür. Genliğin sürtünme faktörü üzerindeki etkisinin boyutsuz frekansa göre değiştiği belirlenmiştir. Ayrıca, boyutsuz frekans arttıkça, ortalama Nusselt sayısının kritik bir boyutsuz frekans değerinde maksimum değere ulaştığı ve daha sonra azaldığı belirlenmiştir. İlgili maksimum değerin, power-law indeksi ile artarken; genlikten etkilenmediği görülmüştür.

Abstract:
In this study, considering the power-law model, effect of pulsating inlet flow of non-Newtonian fluid in some basic geometries (planar, circular and concentric annular channels) on flow and heat transfer is analytically investigated. The flow is considered hydrodynamically and thermally fully developed and laminar. The uniform heat flux thermal boundary conditions are applied at the walls. Perturbation method based on the series expansion is used to solve the continuity, momentum and energy governing equations. In addition, the hydrodynamic development length is investigated numerically by considering the power-law model in laminar pulsating flow in a circular channel.
The average velocity, maximum, minimum and average friction factors, dimensionless bulk and wall temperatures, and Nusselt number are obtained for different values of amplitude, frequency and power-law indexes for each geometry considered. As a general character, it is observed that the dimensionless frequency is effective on the friction factor for a specific range, and this range enlarges with an increase in the power-law index. It is determined that the effect of the amplitude on the friction factor changes according to the dimensionless frequency. It is also determined that as the dimensionless frequency increases, the averaged Nusselt number reaches a maximum value at a critical value of the dimensionless frequency and then decreases. While the related maximum value increases with the power-law index, it is not affected by the amplitude.