Çukur kanatçıklı kanal içindeki nanoakışkan akışına etkiyen manyetik alanın ısı transferi ve akış karakteristiği üzerine etkilerinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation into effects of magnetic field on heat transfer and flow characteristics of nanofluid flow in a dimpled tube
Yazar: MEHMET GÜRDAL
Danışman: PROF. DR. KAMİL ARSLAN
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Akışkanlar = Fluids ; Isı geçişi = Heat transfer ; Kanatçıklar = Blades ; Laminer akış = Laminar flow ; Manyetik alanlar = Magnetic fields ; Zorlanmış taşınım = Forced convection

Özet:
Bu çalışmada zorlanmış iç akış ile ısı transferini artırmak için hibrit teknikler kullanılmıştır. Manyetik nanoakışkan, manyetik alan etkisi ve çukur kanatçıklı kanal içi akış literatürde ayrı çalışılmasına rağmen bir arada henüz kullanılmamıştır. Bu konuyla ilgili olarak, bu çalışma, bu üç etkinin aynı anda kullanılmasının etkisini belirleyen ilk deneysel ve sayısal çalışmadır. Bu çalışmanın amacı, çukur kanatçıklı kanal içindeki Fe3O4/H2O nanoakışkan akışının manyetik alan etkisi altında ısılhidrolik performansını kararlı rejim koşulları için belirlemektir. Test kanal yüzeyine sabit ve homojen olarak 4358 W/m2 ısı akısı uygulanmıştır. Çalışma, hidrodinamik
olarak gelişmiş ve ısıl olarak gelişmekte olan laminer akış rejimi koşullarında (1131≤Re≤2102) veri elde etmeyi amaçlamaktadır. P/d=3.75-7.50-11.25 kanatçık adım oranı, sabit manyetik alan şiddeti (B=0.03≤T≤0.3) ve %1.0 nanopartikül hacim oranı temel değişkenlerdir. x/D=60 eksenel mesafesine konumlandırılan manyetik bobinler ile harici manyetik alan test kanalına uygulanmıştır. Çalışmanın ikinci aşamasında, çukur kanatçıkların zorlanmış taşınımla olan ısı transferi üzerine etkisi deneysel çalışma koşulları ile aynı şartlarda sayısal olarak incelenmiştir. Sonlu hacimler metodu için Ansys Fluent 2020R2 programından yararlanarak sıkıştırılamaz ve Newtonyen akış kabulü ile korunum denklemleri ve Maxwell denklemleri çözümlenmiştir. Deneysel çalışmalardaki belirsizlik oranları ısı taşınım katsayısı (h), Nusselt sayısı (Nu), Darcy sürtünme katsayısı (f) ve Reynolds sayısı (Re) için sırasıyla ±%0.61, ±%1.59, ±%1.25 ve ±%1.20 olarak elde edilmiştir. Sayısal ve deneysel sonuçlar arasındaki ortalama sapma oranlarının ise genellikle %5' in altında kaldığı
belirlenmiştir. Çalışma sonuçlarının doğruluğunu sağlamak adına pürüzsüz boru içi su, nanoakışkan akışı ile çukur kanatçıklı kanal içi su akışı üzerine yapılan literatürdeki çalışmalarla karşılaştırmalar yapılarak uyumluluk gözlemlenmiştir. Elde edilen tüm sonuçlar incelendiğinde; düşük Reynolds sayısı (Re), düşük kanatçık adım oranı (P/d) ve düşük manyetik alan şiddeti (B) etkisinin performans değerlendirme kriteri (PDK) üzerinde olumlu etkiler sağladığı belirlenmiştir. Su akışı
için gerçekleştirilen ısı transferi ve sürtünme katsayısı deneylerinde en yüksek artış P/d=3.75 geometrili kanal için pürüzsüz boruya göre sırasıyla %60.30 ve %118.93 olarak bulunmuştur. Ayrıca manyetik alan etkimeyen nanoakışkan akışı deneylerindeP/d=3.75, P/d=7.50 ve P/d=11.25 kanallarında pürüzsüz boru içi akışa göre sırasıyla %58.84, %36.74 ve %33.90 oranlarında ısı transferinde iyileşmeler sağlanmıştır. Aynı kıyaslama sürtünme katsayısı için yapıldığında sırasıyla %174.73, %128.22 ve %117.51 artışlar gözlemlenmiştir. Performans değerlendirme kriteri değeri için benzer
kıyaslama ile %27.67, %14.78 ve %13.37 artışlar sağlanmıştır. Bununla birlikte sonuçlar, artan Reynolds sayısı ve manyetik alan şiddeti ile Nusselt sayısının arttığını göstermiştir. B=0.3T manyetik alan şiddetinin ısı transferi artışına göre sürtünme katsayısını daha fazla artırması ile performans değerlendirme kriteri değerlerinin B=0.03T ve B=0.3T' ye göre daha düşük kaldığı gözlemlenmiştir.

Abstract:
In this study, hybrid techniques are used to increase heat transfer with forced internal flow. Although magnetic nanofluid, magnetic field effect and flow in dimpled tube have been studied separately in the literature, they have not been used together yet. Regarding this issue, this study is the first experimental and numerical study to determine the effect of using these three effects simultaneously. The aim of this study is to determine the thermal-hydraulic performance of Fe3O4/H2O nanofluid flow in the dimpled tube under the effect of magnetic field in steady-state regime conditions. A constant and homogeneous heat flux of 4358 W/m2 was applied to the surface of test
channel. The study aims to obtain data in hydrodynamically developed and thermally developing laminar flow regime conditions (1131≤Re≤2102). P/d=3.75-7.50-11.25 pitch ratio of dimpled fin, constant magnetic field strength (B=0.03≤T≤0.3) and 1.0% nanoparticle volume concentration are the main variables. The external magnetic field was applied to the test channel with magnetic coils positioned at an axial distance of x/D=60. In the second stage of the study, the effect of dimpled tube on forced convection heat transfer has been numerically investigated under the same conditions as the experimental operating conditions. For the finite volume method, the conservation equations and Maxwell's equations are solved with the assumption of incompressible and Newtonian flow using the Ansys Fluent 2020R2 program. Uncertainty rates in the experimental studies were obtained as ±0.61%, ±1.59%, ±1.25% and ±1.20% for the heat convection coefficient (h), Nusselt number (Nu),
Darcy friction coefficient (f) and Reynolds number (Re), respectively. It has been determined that the average deviation rates between numerical and experimental results are generally below 5%. In order to ensure the accuracy of the study results, the compatibility has been observed by making comparisons with the studies in the literature on water and nanofluid flow in smooth tube, and water flow in dimpled tube. When all the results obtained are examined; It has been determined that the effects of low Reynolds number (Re), low pitch ratio of dimpled fin (P/d) and low magnetic field
strength (B) have positive effects on the performance evaluation criterion (PEC). In the heat transfer and friction coefficient experiments performed for the water flow, the highest increase have been found for the P/d=3.75 geometry channel as 60.30% and 118.93%, respectively, compared to the smooth tube. In addition, in channel with P/d=3.75, P/d=7.50 and P/d=11.25 geometries in nanofluid flow experiments without magnetic field effect, heat transfer improvements were achieved by 58.84%, 36.74% and 33.90% compared to smooth tube, respectively. When the same comparison was
made for the average Darcy friction coefficient, increases of 174.73%, 128.22% and 117.51% were observed, respectively. For the performance evaluation criteria value, increases of 27.67%, 14.78% and 13.37% were achieved with a similar comparison. However, the results showed that the Nusselt number increased with increasing Reynolds number and magnetic field strength. It was observed that the performance evaluation criteria values remained lower than B=0.03T and B=0.3T, as the B=0.3T
magnetic field strength increased the friction coefficient more than the heat transfer increase.