Gelişmekte olan bir boru akışında nanoakışkan ve engel kullanımının ısı transferine etkisinin sayısal incelenmesi
Numerical investigation of the effect of nanofluid and obstacle use on heat transfer in a developing pipe flow
Yazar: MUHAMMET EMRE KANSIZ
Danışman: DOÇ. DR. BİROL ŞAHİN
Recep Tayyip Erdoğan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Akış analizi = Flow analysis ; Akış hızı = Flow velocity ; Akışkan kinematiği = Fluidized kinematic ; Akışkanlar = Fluids ; Akışkanlar mekaniği = Fluid mechanics ; Hata oranı = Error rate ; Isı = Heat ; Isı boruları = Heat pipes ; Isı geçişi = Heat transfer ; Nanopartiküller = Nanoparticles

Özet:
Yapılan çalışmada günümüzde yaygın olarak kullanılan nano akışkanların bir boru içerisindeki akış ve ısı transferi karakteristikleri incelenmiştir. Bu amaçla 5 mm çapında ve 30 mm uzunluğunda dairesel kesitli bir boruda gelişmekte olan akış koşulları altında sayısal çalışma yapılmıştır. Boru üst duvarından sabit bir ısı akısı ile ısıtılmıştır. İş akışkanı olarak kullanılan nano akışkanı oluşturan baz akışkan için su veya eşit oranlarda etilen-glikol-su karışımı kullanılmıştır. Nano parçacık olarak % 4'e varan hacimsel karışım oranlarında Al2O3, TiO2, MgO ve CuO kullanılmıştır. Aynı zamanda nano akışkanların ısı transferine etkisinin araştırılması için boru içerisine yarım daire geometrisinde tekli ve çoklu engeller konulmuştur. Baz akışkanların ve nano akışkanların termofiziksel özelliklerindeki farklılıklar karşılaştırılarak nano akışkanların ısı transferi üzerindeki etkileri gözlenmiştir. Belirtilen şartlar altında iş akışkanının entropisinde meydana gelen değişim de incelenmiştir. Üst duvar çeperinden dışa doğru ısı transfer değeri arttıkça entropinin azaldığı gözlenmiştir. Bu bilgi ışığında yapılan çalışmada nano akışkanların entropisinin baz akışkanların entropisinden daha düşük olduğu tespit edilmiştir. Bu tez çalışmasında boru içerisindeki baz akışkan ve nano akışkanın hız değerlerinin değişmediği belirlenmiştir. Ancak borunun üst ve alt duvarlarına engeller eklendiğinde baz akışkanın ve nano akışkanın hız değerlerinin önemli ölçüde değiştiği tespit edilmiştir. Isı akısı borunun üst duvarı boyunca uygulandığından alt duvar boyunca sıcaklık ve entropi değerlerinin değişmediği, borunun üst duvarı boyunca sıcaklık ve entropi değerinin arttığı gözlenmiştir. Boru çıkışının en üst noktasında sıcaklık ve entropinin maksimum değerlere ulaştığı belirlenmiştir. Borunun üst duvarı boyunca akım fonksiyonu değerinin maksimum değerlere ulaştığı gözlenmiştir. Ayrıca nano akışkanın akım fonksiyonu, baz akışkanın akım fonksiyonundan daha büyük çıkmıştır. Aynı zamanda nano akışkanın ısı taşınım katsayısı baz akışkandan daha fazla çıkmıştır.

Abstract:
In this study, the flow and heat transfer characteristics of nanofluids, which are widely used today, in a pipe were investigated. For this purpose, a numerical study was carried out under developing flow conditions in a circular pipe with a diameter of 5 mm and a length of 30 mm. The pipe is heated by a constant heat flux through its upper wall. Water or equal proportions of ethylene-glycol-water mixture was used for the base fluid forming the nanofluid used as the working fluid. Al2O3, TiO2, MgO and CuO were used as nanoparticles in volumetric mixing ratios up to 4%. At the same time, in order to investigate the effect of nanofluids on heat transfer, single and multiple barriers in semicircular geometry were placed inside the pipe. By comparing the differences in thermophysical properties of base fluids and nanofluids, the effects of nanofluids on heat transfer were observed. The change in the entropy of the working fluid under the specified conditions was also investigated. It was observed that the entropy decreased as the heat transfer from the upper wall to the outside increased. In the light of this information, it has been determined that the entropy of nanofluids is lower than the entropy of base fluids. In this thesis study, it was determined that the velocity values of the base fluid and nanofluid in the pipe did not change. However, it was determined that the velocity values of the base fluid and nanofluid changed significantly when obstacles were added to the upper and lower walls of the pipe. Since the heat flux is applied along the upper wall of the pipe, it has been observed that the temperature and entropy values do not change along the lower wall, while the temperature and entropy values increase along the upper wall of the pipe. It was determined that the temperature and entropy reached their maximum values at the top of the pipe outlet. It was observed that the stream function value reached the maximum values along the upper wall of the pipe. In addition, the stream function of the nanofluid was greater than the stream function of the base fluid. In addition, the nusselt number of nanofluid was minor than the nusselt number of base fluid. At the same time, the heat transfer coefficient of the nanofluid was higher than that of the base fluid.