Düz ve pürüzlü yüzeylere sahip ani genişleyen kanal içerisindeki ferro-nanoakışkan akışının manyetik alan etkisi altındaki davranışının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of ferronanofluid flow behavior under the effect of magnetic field in the sudden expansion tube with smooth and rough surfaces
Yazar: EMREHAN GÜRSOY
Danışman: PROF. DR. ENGİN GEDİK
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Bu çalışmada, pasif ve aktif ısı transfer iyileştirme teknikleri kullanılarak ani genişleyen dairesel kesitli kanaldaki taşınımla olan ısı transferinin iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Bu bağlamda, pasif ısı transfer iyileştirme yöntemi olarak pürüzlü yüzey (dairesel çukur kanat) ile ferro-nanoakışkan-Fe3O4/H2O (FNA) uygulamaları, aktif ısı transfer iyileştirme yöntemi olarak ise sabit manyetik alan (DC) uygulamaları tatbik edilmiştir. Uygulanan tekniklere ait parametreler birden fazla değişken göz önüne alınarak başlangıçta sayısal olarak incelenmiştir. Sayısal analizlerde üç farklı giriş kanal dairesel kesiti (D1=8, 10 ve 14 mm), üç farklı çukur kanat çapı (d=3, 5 ve 7 mm), üç farklı çukur kanat adım oranı (P/d=5,0, 3,0 ve 2,14), üç farklı FNA hacimsel konsantrasyonu (φ=%0,0, %1,0 ve %2,0) ve altı farklı DC manyetik alan şiddeti (B=0,01, 0,03, 0,05, 0,1, 0,3 ve 0,5T) analiz edilmiştir. Çalışmalar laminer akış şartlarında (Re=1000, 1500 ve 2000) yürütülmüş ve akış geometrisinin çıkış kanalı üzerine q"=600 W/m2 sabit ısı akısı uygulanmıştır. Yürütülen sayısal analizler neticesinde en yüksek Performans Değerlendirme Kriterini (PDK) sağlayan D1, d, P/d ve φ parametrelerinden yararlanılarak deney setinin kurulumu ve testleri yapılmıştır. Deneysel analizlerde sistemdeki ölçüm ekipmanlarının hata oranları dikkate alınmış ve belirsizlik analizi çerçevesinde süreçler yürütülmüştür.
Tatbik edilen sayısal analizlerde akışkanın sıkıştırılamaz ve Newtonyen akışkan olduğu kabul edilmiştir. Yapılan kabullere ve sınır şartlarına bağlı olarak süreklilik, momentum ve enerji genel yönetici denklemlerinin çözümlemesi ANSYS Fluent 2020R2 programında gerçekleştirilmiştir. Sayısal analizlerden elde edilen veriler ışığında D1=14 mm, d= 7 mm, P/d=2,14 ve φ=%2,0 sistem parametrelerinin en yüksek PDK'yı sağladığı sonucuna ulaşılmıştır ve deneysel sistem üzerindeki performansı da incelenerek karşılaştırma yapılmıştır. Sayısal ve deneysel sonuçlardan B attıkça ortalama Nusselt sayısının (Nu) arttığı belirlenmiştir. Ancak B'nin artırılması sonucunda ortalama sürtünme katsayısında (f) meydana gelen kayda değer artışlar sistemin PDK'sını olumsuz etkilemiştir. Her iki analiz yönteminde de en yüksek PDK'nın B=0,3T şartında elde edildiği tespit edilmiştir. En yüksek PDK'nın sağlandığı parametrelerden elde edilen sayısal ve deneysel sonuçlar karşılaştırıldığında ortalama Nu, ortalama f ve PDK değerleri arasındaki farkların sırasıyla %3,78, %0,65 ve %3,93 oranlarında olduğu belirlenmiştir. Ayrıca nu hata oranlarından yola çıkarak literatürdeki çalışmalar ile karşılaştırmalar yapılmıştır. Literatürdeki çalışmalar incelendiğinde deneysel ve sayısal çalışmalardan elde edilen sonuçların birbirleri arasındaki farkların ya da herhangi bir korelasyon sonucuna göre elde edilen sonuçlar arasındaki farkların %10'dan düşük seviyede olması sonuçların iyi bir uyum sergilediğini ortaya koymaktadır. Dolayısıyla bu çalışamada ulaşılan sonuçların da yüksek seviyede bir uyum sergilediği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
In this study, it is aimed to improve the convective heat transfer in the sudden expansion tube with a circular cross-section by using passive and active heat transfer enhancement techniques. In this context, rough surface (circular dimpled fin) and ferro-nanofluid-Fe3O4/H2O (FF) applications were applied as the passive heat transfer enhancement method, and constant magnetic field (DC) was applied as the active heat transfer enhancement method. The parameters of the used techniques were initially investigated numerically by considering more than one variable. In the numerical analyses, three different inlet tube circular cross-sections (D1=8, 10, and 14 mm), three different dimpled fin diameters (d=3, 5 and 7 mm), three different dimpled fin pitch ratios (P/d=5.0, 3.0 and 2.14), three different FF volume concentrations (φ=0.0%, 1.0%, and 2.0%) and six different DC magnetic field strengths (B=0.01, 0.03, 0.05, 0.1, 0.3 and 0.5T) were analyzed. The studies were carried out under laminar flow conditions (Re=1000, 1500, and 2000), and constant heat flux of q"=600 W/m2 was applied to the outlet tube of the flow geometry. As a result of the numerical analyses, the experimental set was installed and tested using the D1, d, P/d, and φ parameters that provided the highest Performance Evaluation Criterion (PEC). In the experimental analyses, the error rates of the measurement equipment in the system were taken into account and the processes were carried out within the uncertainty analysis framework.
In the applied numerical analyses, the fluid was assumed to be incompressible and Newtonian. Depending on the assumptions and boundary conditions, the solution of the continuity, momentum, and energy governing equations was realized in the ANSYS Fluent 2020R2 program. In the light of the data obtained from the numerical analyses, it was concluded that the system parameters D1=14 mm, d= 7 mm, P/d=2.14, and φ=%2.0 provided the highest PEC, and the performance of the experimental system was also examined and a comparison was made. From the numerical and experimental results, as the B increased, the average Nusselt number (Nu) was determined to be increased. However, the significant increases in the average friction factor (f) as a result of increasing B negatively affected the PEC of the system. In both analysis methods, it was determined that the highest PEC was obtained under the condition of B=0.3T. When the numerical and experimental results obtained from the parameters where the highest PEC was provided were compared, it was determined that the differences between the average Nu, average f, and PEC values were 3.78%, 0.65%, and 3.93%, respectively. In addition, comparisons were made with studies in the literature based on the error rates. When the studies in the literature are examined, it is revealed that the differences between the results obtained from experimental and numerical studies or the differences between the results obtained according to any correlation result are less than 10%, which shows that the results show good harmony. Therefore, it was concluded that the results obtained in this study also show a high level harmony.