Manyetik alanda nanoakışkanın geri basamak geometrisinde karışık taşını ısı transferine etkileri
MHD mixed convection of nanofluid flov over a backward-facing step
Yazar: SEDA ÖZCAN ÇOBAN
Danışman: DOÇ. DR. FATİH SELİMEFENDİGİL
Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, geri basamak geometrisinde Al2O3-su nanoakışkanının akış ve ısı transferi özellikleri, karışık taşınımlı akışta ve manyetik etkisi altında sayısal olarak incelenmiştir. Nanoakışkanların ısı transferi uygulamalarında saf akışkanlara göre daha yüksek performans gösterdiği birçok çalışma ile gösterilmiştir. Ayrıca özellikle metal ve metal oksit nanoparçacıklar içeren nanoakışkanların elektrik iletkenliğinin yüksek olması manyetik alan etkisi altındaki akış davranışlarının incelendiği manyeto-hidrodinamik (MHD) akış ile ilgili çalışmalarda bu tür nanoakışkanların kullanılmasına sebep olmuştur. Bu sebeple bu çalışmada Al2O3-su nanoakışkanına dışarıdan bir manyetik alan etki ettiği düşünülmüş ve hesaplamalar manyetik alan şiddetinin bir göstergesi olan Hartmann sayısının farklı değerlerinde (Ha=0-10-20-30-40) gerçekleştirilmiştir. Manyetik alanın nanoakışkanlı akışa etkisinin hesaplanması üç farklı elektrik iletkenlik modeli ile gerçekleştirilmiştir. Ayrıca manyetik alanın 0º ile 90º arası beş farklı açıyla uygulandığı düşünülmüş ve hesaplamalar bu beş farklı açı değeri için yapılmıştır. Çalışmada kullanılan geometri, birçok mühendislik tasarımı ve uygulamasında karşılaşılan geri basamak geometrisidir. Akış ayrılması ve yeniden birleşmenin yaşandığı bu geometri için, karışık taşınımda doğal ve zorlanmış taşınımın hangisinin daha etkili olduğunu gösteren boyutsuz parametre Richardson sayısının farklı değerlerinde (Ri=0,01-0,1-1-10) akış ve ısı transferi davranışları incelenmiştir. Kullanılan nanoakışkanın dört farklı nanoparçacık hacim oranında (ϕ=0,01-0,015-0,02-0,025) olduğu düşünülmüş ve hesaplamalar saf su ve bu hacim oranları için tüm elektrik iletkenlik modellerinde yapılmıştır. Çalışmadaki hesaplamalar COMSOL programı kullanılarak sonlu elemanlar yöntemi ile yapılmış, sonuçlar eş akış ve eş sıcaklık eğrileri, ayrıca ısı transferi değerleri de Nusselt sayıları ile gösterilmiştir. Sonuçlar nanoparçacık ilavesinin ısı transferini önemli ölçüde arttırdığını göstermiştir. Ayrıca manyetik alanın da geri basamak geometrisinde ısı transferini arttırıcı etkisi olduğu belirlenmiştir. Manyetik alan uygulama aşısının yataydan (0º) dik konuma (90º) giderken ısı transferini de arttırdığı çalışmada görülmüştür. Farklı elektrik iletkenlik modellerinin akış ve ısı transferi üzerinde oldukça etkili olduğu ortaya konulmuştur.

Abstract:
In this study, MHD mixed convection effects of Al2O3-water nanofluid flow over a backward-facing step were investigated numerically.  As it has been shown in many studies, nanofluids provide better results for heat transfer applications compared to base fluids. In addition, nanofluids including especially metal or metal oxide nanoparticles are used in MHD flow applications because of their higher electrical conductivity. In this study, a uniform external magnetic field was applied to the flow and strength of magnetic field was varied with different values of dimensionless parameter Hartmann number (Ha=0-10-20-30-40). Three different electrical conductivity models were used to see the effects of MHD nanofluid flow. Besides, five different inclination angles between 0º-90º is used for application of external magnetic field. The problem geometry is a backward-facing step which is used in many engineering applications and flow separation and reattachment phenomenon occur in this geometry. Different convection effects of backward-facing step were examined with various values of Richardson number (Ri=0,01-0,1-1-10) which indicates the importance of natural or forced convection. Computations were made for pure water and four different nanoparticle volume fractions (ϕ=0,01-0,015-0,02-0,025) considering different electrical conductivity models. Finite element method via commercial code COMSOL was used for computation and results were shown with streamlines, isotherms and also Nusselt number variations for different values of pertinent parameters. Results indicate that the addition of nanoparticles enhanced heat transfer significantly. Also increasing magnetic field strength and inclination angle increased heat transfer rate. Effects of different electrical conductivity models were also investigated and it was observed that they have significant effects on the fluid flow and heat transfer characteristics in the presence of magnetic field.