Alüminyum metal köpük içinde darbeli akışın ısı geçişine etkisi
The effect of pulsating flow on heat transfer in aluminum metal foam
Yazar: ALTAY ARBAK
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ÖZDEMİR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada bir yüzeyinden sabit ısı akısı (12787 W/m^2) uygulanan, metal köpük ile doldurulmuş kanal içerisindeki ısı geçişi zamana bağlı olarak incelenmiştir. Kullanılan alüminyum metal köpük 20 ppi gözenek sıklığına ve % 91,8 gözenekliliğe sahiptir. Akışkan olarak su kullanılmıştır. 
Kurulan deney tesisatı yardımıyla ilk olarak Forchheimer akış rejimi için deneysel basınç düşüşü-hız ilişkisi elde edilmiştir. Bu sonuçlar analiz edilerek metal köpüğün geçirgenliği ve şekil sürüklenme katsayısı hesaplanmıştır. Ortamın geçirgenliği 3,94x10^-8 ± 1,16x10^-9 m^2,  şekil sürüklenme katsayısı 0,087 ±0,002 olarak bulunmuştur.
Düz akış için yapılan ısı geçişi deneyleri sonucunda, ölçülen yüzey sıcaklıkları ve akışkan giriş sıcaklıklarından yerel Nusselt sayısının konum ile değişimi elde edilmiştir. Yüzey ortalaması alınmış sıcaklık değerleri kullanılarak ortalama Nusselt sayıları hesaplanmıştır. Yüzeydeki sabit ısı akısı 23444 W/m^2 değerine yükseltilerek sonuçların 12787 W/m^2 değeri ile uyumuna bakılmış ve sonuçların yakın olduğu görülmüştür. Daha sonra her iki ısı akısı için yapılan deneylerden elde edilen ortalama Nusselt sayıları Reynolds sayısı ile ilişkilendirilerek bir korelasyon elde edilmiştir.
Zamana bağlı ısı geçişi deneylerinde, kanalın girişindeki akışkan hızı darbeli olarak değişirken ısı akısı sabit tutulmaktadır. Deney tesisatında bulunan selonoid valf yardımıyla farklı frekans ve genlikte, kare dalga şeklinde zamana bağlı, ortalama akışkan hızı elde edilmiştir. Üç farklı genlik (0,034, 0,068, 0,096 m/s) ve üç farklı frekans (valf çalışma frekansı, 0,07, 0,10, 0,17 Hz) için deneyler yapılmıştır. Deneysel olarak Nusselt sayısının boyutsuz frekans ve boyutsuz genlik ile ilişkilendirilebileceği gösterilmiştir. Bununla birlikte, genliğin ısı geçişi üzerindeki etkisinin frekansa göre daha fazla olduğu anlaşılmıştır. Her üç genlikte de frekansın artması ısı geçişini arttırmıştır. 
Comsol yazılımı kullanılarak iki boyutlu, zamandan bağımsız ve zamana bağlı gözenekli ortam modelleri oluşturulmuştur. Düz akış ve zamana bağlı akış için deneysel Nusselt sayılarına en yakın sonucu veren dispersiyon katsayıları ayrı ayrı bulunmuştur. Düz akış için, dispersiyon iletkenliği ortalama akışkan hızı ile ilişkilendirilmiştir. Darbeli akış için, dispersiyon iletkenliği boyutsuz frekans ve boyutsuz genliğin fonksiyonu olarak verilmiştir.

Abstract:
In this study, a metal foam filled channel subjected to constant heat flux of 12787 W/m^2 on one side is used to investigate convective heat transfer. The aluminum open-cell foam sample has 20 pores per inch and 91.8% porosity. The analysis is made for Reynolds number range between 2.8 and 25 for water as a working fluid.  Pressure drop measurements showed that the flow was in the Forchheimer regime. 
The Fanning friction factor correlated with the permeability-based Reynolds number to the power 0.4. Heat transfer results showed that the average Nusselt number correlated well the Reynolds number in a power law with the exponent of Reynolds number being 0.61. The Nusselt number reached a plateau at around Reynolds number equals 10. The Colburn j factor for the metal-foam heat sink correlated with the Reynolds number to the power 0.4, and was 407 % higher than that of an empty channel.  The experimental data and correlation of obtained can aid numerical and modeling work concerning asymmetrically-heated metal-foam heat transfer Experimental Setup The experimental setup consists of a pressure regulator, a solenoid valve and a magnetic flow rate sensor connected in series upstream of the test section. The water pressure regulator is adjustable up to 11 bars. It was set to 0.7 bar water pressure during the experimental work. Therefore, the mass flow rate could be maintained at a constant value, regardless the pressure of the supplied tap water. The filter protected all instruments and the test section from rust and other impurities that may cause clogging. The direct-acting two-way solenoid control valve was used for controlling the mass flow rate, which was set to various steady timeindependent values. To measure surface temperatures, T-type thermocouples were used. There were seven temperature measurement locations having 12.7 mm distance from each other. A magnetic-inductive volumetric flow sensor was used to measure the volumetric flow rate of water up to 20 L/min. In addition to volumetric flow monitoring, it had a built-in temperature sensor to measure the inlet temperature of water.
Results of Hydrodynamic Experiments A quadratic relation between pressure drop per length and the average velocity is observed as expected. The relationship between the reduced pressure gradient vs. velocity is given below. On the right-hand side, the first term accounts for viscous effects and it is a constant. The second term is the inertia term which is proportional to velocity.
where ΔP is static pressure drop, L is the length of the porous channel in the flow direction, μ is the fluid dynamic viscosity, K is the permeability of porous media, ρ is the fluid density, F is the form-andinertia drag coefficient and u is the average flow velocity. The permeability was obtained as 3.94x 10^-8 ± 1.16 10^-9 m^2 and Forchheimer coefficient was obtained as 0.087 ± 0.002.
Results of Heat Transfer Experiments As the flow velocity increases the slope of each temperature curve decreases. This means that at higher velocities the convection heat transfer from the heated base is higher. In addition, higher velocities cause more mixing and turbulence in the water flow, which enhances the dispersion conductivity of water resulting in enhanced conduction heat transfer from the base.
The Nusselt number was calculated by using the heated surface average temperature, fluid inlet temperature, heat flux data and permeability as A correalation was given for Nusselt number as function of permeability based Reynolds number as By using the numerical model thermal dispersion conductivities were obtained by trial-error approach. The value of thermal dispersion coefficient, gamma , was obtained as 0.041. 
Pulsating Flow Heat Transfer Experiments In total nine different pulsating flow experiments were conducted. The experimental parameters are; flow amplitude and frequency. Valve opening parameter is responsible for flow amplitude parameter. Valve frequency parameter controls flow frequency. 
The dimensionless flow frequency parameter (M) and dimensionless flow amplitude (Re_ort) parameter were changed in the range of 4.8-7.3 and 3.33-9.41 respectively. The results showed that there is a strong relationship between average Nusselt number and flow velocity amplitude. Generally, average Nusselt number is increasing with increasing frequency parameter for given amplitude. Average Nusselt number were given as follows The thermal dispersion mechanism has an important role in heat transfer in metal foam, especially when using water as a working fluid. Thermal dispersion conductivities are obtained from the numerical model by trial and error approach. A correlation was proposed for non-dimensional dispersion conductivity.