Mikrokanallarda nanoakışkanlar için laminer akışta geçici rejim birleşik ısı transferi problemi
Transient conjugate heat transfer problem of laminar flow for nanofluids in microchannels
Yazar: İLKER GÖKTEPELİ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ŞÜKRÜ ULAŞ ATMACA
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Mevcut tez çalışması kapsamında mikrokanaldaki laminer akışta nanoakışkanların ısıl performansa etkisi geçici rejim problemiyle sayısal olarak ele alınmıştır. Temel akışkan olarak suya farklı hacimsel konsantrasyon değerlerinde ( = % 1, % 4 ve % 7), ayrı ayrı olmak üzere Al2O3, CuO ve TiO2 nanoparçacıkların eklendiği durumlar ara yüzey ısı akısı, ara yüzey sıcaklığı, yığık sıcaklık ve radyal sıcaklık gibi ısı transferi karakteristikleri bakımından karşılaştırılmıştır. Bu bağlamda her bir nanoparçacık için açık literatürdeki iki farklı termofiziksel özellik modeli de kıyaslanmıştır. Buna göre sayısal çözüme Peclet sayısının (Pe = 1, 5, 20 ve 50), cidar kalınlık oranının (d' = 0.02, 0.1, 0.2, 0.3, 0.6, 1 ve 1.4), ısıl yayılım katsayısı oranının (αw-nf = 0.1, 1 ve 10), ısı iletim katsayısı oranının (kw-nf = 0.1, 1 ve 10) ve Brinkman sayısının (Br = -0.2, -0.1, 0, 0.1 ve 0.2) etkisi değerlendirilmiştir. Eksenel iletimin düşük Peclet sayılarında daha etkili olduğu ve Pe ≥ 20 için bu değerin ısı transferini önemli ölçüde etkilemediği gözlemlenmiştir. Cidar kalınlık oranındaki artışın ve ısı iletim katsayısı oranındaki azalışın ısı transferini azaltıcı yönde etkilediği görülmüştür. Isıl yayılım katsayısı oranının değişimi parametrik anlamda oldukça etkisiz kalmıştır. Viskoz yitim tesirini gösteren Brinkman sayısının sıfırdan farklı olduğu değerlerde ısı transferi yönü önemli ölçüde değişmiştir. Belirtilen parametrelerin değeri yükseldikçe sürekli rejime ulaşma süresi düşme eğilimi göstermiştir. Burada temel akışkan su için belirtilen durumlar nanoakışkanlar için de geçerlidir. Nanoakışkan için hacimsel konsantrasyon değerinin artışı ile ısı transferi de artmıştır. Nanoparçacık etkisi açısından sırasıyla CuO, Al2O3 ve TiO2, sabit hacimsel konsantrasyon değerinde daha fazla ısıl performans artışını sağlamıştır. Her bir nanoparçacık için karşılaştırılan termofiziksel özellik modellerine göre birbirine en yakın sonucu Al2O3 nanoparçacığına ait modeller sunmuştur. Ancak diğer nanoparçacıklar için birer modelin bu anlamda yetersiz kaldığı gözlemlenmiştir.

Abstract:
The transient regime problem for the effect of nanofluids on thermal performance in a microchannel of laminar flow has been considered within the scope of the current thesis study. The situations where Al2O3, CuO and TiO2 nanoparticles added separately to water as base fluid at different volumetric concentration values ( = 1%, 4% and 7%) have been compared in terms of heat transfer characteristics such as interfacial heat flux, interfacial temperature, bulk temperature and radial temperature. In this manner, two different thermophysical property models of open literature have been contrasted for each nanoparticle. Accordingly, the effects of Peclet number (Pe = 1, 5, 20 and 50), wall thickness ratio (d' = 0.02, 0.1, 0.2, 0.3, 0.6, 1 and 1.4), thermal diffusivity ratio (αw-nf = 0.1, 1 and 10), thermal conductivity ratio (kw-nf = 0.1, 1 and 10) and Brinkman number (Br = -0.2, -0.1, 0, 0.1 and 0.2) on the numerical solution have been evaluated. It has been observed that axial conduction is more effective at low Peclet numbers, and for Pe ≥ 20, this value does not significantly affect heat transfer. It has been seen that the increase in the wall thickness ratio and the decrease in the thermal conductivity ratio have a decreasing effect on heat transfer. The change for the thermal diffusivity ratio was quite ineffective parametrically. At values where the Brinkman number, showing the effect of viscous dissipation, is not equal to zero, the direction of heat transfer has been significantly changed. As the values of these parameters increased, the required time for steady state has tended to decrease. The conditions stated for the base fluid water are also valid for those of nanofluids. Heat transfer have also been enhanced by increasing the volumetric concentration for the nanofluid. In terms of nanoparticle effect, more thermal performance has been obtained at constant volumetric concentration via CuO, Al2O3 and TiO2, respectively. According to the thermophysical models compared for each nanoparticle, the models for nanoparticle of Al2O3 have presented the closest results to each other. However, it has been observed that one model for other nanoparticles is inadequate in this manner.