Dairesel bir borudaki zorlanmış taşınımla ısı transferine nanopartikül şekil etkisinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of nanoparticle shape effect on forced convention heat transfer in a circular pipe
Yazar: GİZEM TAŞTAN
Danışman: DOÇ. DR. ENGİN GEDİK
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Akışkanlar = Fluids ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Isı geçişi = Heat transfer ; Nanopartiküller = Nanoparticles ; Zorlanmış taşınım = Forced convection

Özet:
Bu çalışmada, farklı nanopartikül şekline (morfolojisine) sahip Al2O3, GO, Fe3O4 nanopartikülleri ve baz akışkan su ile oluşturulan nanoakışkanların dairesel kesitli bir borudaki akış ve ısı transferi karakteristikleri sayısal olarak incelenmiştir. Sayısal çalışmada, tek faz modeli kullanılarak sonlu hacimler tekniğine dayalı çözümleme yapabilen ANSYS Fluent kodu, süreklilik, momentum ve enerji denklemlerini iteratif olarak çözmek için kullanılmıştır. İncelenen akış problemi, sabit duvar ısı akısı (1000 W/m2) altında ve laminer akış şartlarında (500≤Re≤2000) gerçekleştirilmiştir. Çalışmada, brick, platelet ve silindirik şekilli Al2O3, GO, Fe3O4 nanopartikülleri ve bunlara ait %1, %2, %3, %4'lük nanopartikül hacimsel konsantrasyon oranları (φ) kullanılmıştır. Sayısal analiz verilerine göre; nanoakışkanlarda, nanopartikül hacimsel konsantrasyon oranı ve Reynold değerinin artışıyla ısı taşınım katsayısı "h", Nusselt sayısı "Nu" ve basınç düşümü "∆P" değerlerinin de arttığı sonucuna varılmıştır. Tüm nanoakışkanlarda en büyük "h", "Nu" ve "∆P" değerleri platelet şekil yapısına aittir. Re=2000 ve φ=%4 için, platelet şekilli nanopartikül içeren nanoakışkanların en büyük "Nu" değerleri, suyun Re=2000'deki "Nu" değerlerinden GO-su, Al2O3-su ve Fe3O4-su için sırasıyla; "%64,34", "%59,5", "%55,59" daha büyüktür. Sayısal analiz verilerine göre Darcy Sürtünme Faktörü "f" değerleri Reynold sayısının düşük değerlerinde en büyük değerlerini almıştır. Performans değerlendirme kriteri "PDK" değerleri nanopartikül hacimsel konsantrasyon oranı arttıkça azalmaktadır ve tüm nanoakışkanlar için en yüksek "PDK" değerleri %1 nanopartikül hacimsel konsantrasyon oranına sahip brick şekilli nanoakışkanlara için hesaplanmıştır.

Abstract:
This study aims to investigate the effects of different nanoparticle shapes of different nanofluids on the flow and heat transfer characteristics in a circular pipe using numerical method. The numerical model calculated by computational fluid dynamics method (CFD) which using bu ANSYS Fluent code to solve the governing continuity, momentum and energy conservation equations considering single-phase approach. For the fluid flow analysis is adopted to simulate the nanofluid flow and three types of nanoparticles Al2O3, GO, Fe3O4 with their volumetric nanoparticle concentrations of 1%, 2%, 3%, 4% and three types of nanoparticle shapes brick, platelet and cylindrical is considered. The flow in the circular tube is assumed to be incompressible, steady, and laminar conditions (500≤Re≤2000). At the tube wall, a uniform heat flux (1000 W/m2) and non-slip conditions are assigned. The computational results show that, the convection heat transfer coefficient "h", the Nusselt number "Nu" and the pressure drop "∆P" increased as the volumetric concentration ratio of nanoparticles and Reynold number increases. The maximum heat transfer coefficient value obtained from the platelet shape of all nanofluids. As Re=2000 and φ=4% the average Nusselt number of platelet shaped GO, Al2O3 and Fe3O4 nanofluids relative to that of pure water increased by 64.34%, 59.5% and 55.59%, respectively. The corresponding highest values of Darcy Friction Factor "f" was detected at low values of Reynolds Number, and it decreases as Reynold number increases. Performance evaluation criteria "PEC" values decrease as the nanoparticle volumetric concentration ratio increases, and the highest values of "PEC" of all nanofluid obtained from the shape of brick.