Mini kanalda nanoakışkan kullanımının ısı transferine etkisinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of the effect of nanofluid usage on heat transfer in mini channel
Yazar: UĞUR DEMİR
Danışman: DOÇ. DR. ADNAN TOPUZ
Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic

Özet:
Bu çalışmada, 400 µm paslanmaz çelik malzemeden daire kesitli yatay kanalda, saf su ve saf su bazlı %0.5 hacimsel derişimde Al2O3 (13nm), ZnO (18nm) nanoakışkanlarının ısıl performansları, Nusselt sayısı ve basınç düşüşü değeri ile pompa güç gereksinimi değişimi, deneysel ve Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) programı ile incelenmiştir. Program olarak Ansys 16.2 ticari programın fluent arayüzü kullanılmıştır. Deneyler, saf su ve saf su bazlı %0.5 hacimsel derişimde Al2O3, ZnO ile 45oC nanoakışkan giriş sıcaklığı, 10oC sabit yüzey sıcaklığı şartlarında sırasıyla 20, 23, 26, 29, 32, 35, 38, 41, 45, 50 mL/dk debilerde gerçekleştirilmiştir. Deney şartları, HAD programında iki boyutlu (2D) olarak modellenmiş olup laminer ve standart k-ε türbülans çözüm metodları ile her bir akışkan için analizler yapılmıştır. Sıcaklık, debi ve basınç ölçümleri sayesinde Nusselt sayısı, Reynolds sayısı, basınç düşüşü ve pompa güç gereksinimi ile ısı transferi miktarı ve ısı taşınım katsayıları her bir akışkan için 30 farklı deney çalışması ve 60 farklı simülasyon analizleri ile incelenmiştir. HAD programı yardımıyla hız gradyanı giriş ve atmosfer basıncı çıkış şartlarında akışın laminer ve türbülanslı nümerik çözümlemesi ile deneysel sonuçlar, mevcut analitik çalışmalar ile karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Çalışmanın deneysel amacı mikrokanalda, belirlenen derişimde, nanoakışkan kullanmanın deney seti ile gerçek koşulların incelenmesi, deneyde elde edilen verilerin akış rejimine göre literatür denklemleri ile karşılaştırılmasıdır. Daha sonra Ansys 16.2'de hem laminer hem de türbülanslı model çözümlemesiyle akış karakteristiği tayin edilmek istenmiştir. Deneysel ve nümerik çalışma neticesinde saf su bazlı Al2O3 ve ZnO nanoakışkanları saf su ile karşılaştırıldığında, ısı transferi değerinde sırasıyla %14.35, %7.42 ve ısı taşınım katsayısı değerinde ise %20.90, %10.01 artış belirlenmiştir. Diğer yandan ZnO nanoakışkanı için basınç farkı değerinde artma sebebiyle pompa elektrik tüketiminde %13.49 artışa neden olması, belirlenen mikrokanal ve hacimsel derişimde Al2O3 nanoakışkanını ön plana çıkarmıştır. Ayrıca her bir akışkan için Nu = c Rem Prn şeklinde korelasyon önerilmiştir.

Abstract:
In this study, the thermal performance, Nusselt number variation and pressure drop value due to pomping power requirements of base pure water and pure water with %0.5 volume concentrations of Al2O3 (13nm), ZnO (18nm) as called nanofluids were investigated with experimental and Computational Fluids Dynamics (CFD) program, at 400 µm stainless steel horizontal circular microchannel. Ansys 16.2 commercial fluent database was used as related program. Experiments were made with pure water and pure water based %0.5 volume concentrations of Al2O3, ZnO nanofluids at 45oC temperature inlet, 10oC under constant surface cooling temperature with the volume flow rates 20, 23, 26, 29, 32, 35, 38, 41, 45, 50 mL/min respectively. The experimental conditions were modeled as 2D in Ansys 16.2 commercial program and analyzes were made for each fluid by laminar and standard k-ε turbulence solution methods. By the help of temperature, flow rate and pressure, Nusselt  number, Reynolds number variation, pressure drops and pumping power requirements change, heat transfer and heat transfer coeefficients were examined with 30 different experiments and 60 different simulation analyzes for each fluid. Numerical analysis of flow, under velocity inlet, atmospheric pressure outlet conditons were made by the help of CFD program. Experimental results and program numerical analysis are presented comparatively with current analytical studies. While the experimental aim of the study was to investigate the actual conditions of the nanofluids usage at the determined concentration and microchannel with the experiment set, also to compare the data obtained by experiment with the literature flow equations. It was aimed that to determine the flow characteristics, with both laminar and turbulance model analysis in CFD. As a result of experimental study, when compared with pure water based %0.5 Al2O3 and ZnO nanofluids with pure water, heat transfer value increased by 14.35%, 7.42% and heat transfer coefficient value up to 20.90%, 10.01% respectively. On the other hand, because of the incraese on the pressure drop value for ZnO nanofluid, it also increased the pump electricity consumption by 13.49%, thus highlighting the Al2O3 nanofluid in the determined microchannel and volumetric concentration. Besides these new korelation was performed for each fluids as Nu = c Rem Prn.