Nanoakışkanlarda doğal taşınımla ısı transferinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of natural heat convection in nanofluids
Yazar: AHMET DİRLİK
Danışman: PROF. DR. AYŞE FİLİZ BAYTAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Enerji Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Bu tez çalışmasında hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi kullanılarak nanoakışkanlarda doğal taşınım yoluyla ısı transferi incelenmiştir. Tüm korunum denklemleri CFD programı Ansys-Fluent'te çözümlenmiştir ve yoğunluk için Boussinesq denklemi kullanılıp, hesaplamalar sonuçlar yakınsayıncaya kadar tekrarlanmıştır. Çalışmada, temel akışkan olarak Su ve Etilen Glikol kullanılırken, nanoparçacık olarak Cu, CuO, Ti, TiO2 ve Al2O3 kullanılmıştır. 
Nanoakışkanlar, nano boyuttaki katı parçacıkların sıvı akışkan içerisine karıştırılmasıyla elde edilir, sıvı içerisine karıştırılan ısıl iletkenliği yüksek parçacıklar, nano boyutta yaptıkları titreşim hareketiyle ve çevresindeki sıvı moleküllerinde oluşturduğu hareket sayesinde ısı transferini iyileştirebilir, ayrıca bir araya gelen parçacıklar ısı transferi için hızlı geçiş yolları oluşturabilir.
Nanoakışkanların (oluşturulan karışımların) fiziksel büyüklüklerini elde etmek icin farklı hesaplama modelleri kullanılmıştır. Nanoakışkanın efektif ısı iletim katsayısı için dinamik model, viskozite için Einstein modeli, yoğunluk için Pak ve Cho modeli ve özgül ısı için Xuan ve Roetzel modeli kullanılıp farklı sıcaklık ve hacim oranı değerleri için tüm nanoakışkanların fiziksel büyüklükleri elde edilmiştir.
Bu yüksek lisans tez çalışmasında kullanılan nanoakışkanların tek fazda olduğu ve akışkanların içerisindeki parçacıkların sıvı içerisinde askıda olduğu düşünülmüştür. Karışımlar icin hacimsel oran % 0,5, 1, 2, 5, 7,5 ve 10 ve Rayleigh Sayısı 2,39 x 107, 4,8 x 107, 9,8 x 107 ve 1,61 x 108 olarak seçilmiştir. Analizler en-boy oranı bire eşit iki boyutlu kare bir kap içerisinde gerçekleştirilmiştir. Sınır koşulları soğuk (sağ) duvar için sabit 285 K olurken, üst ve alt duvarlar adyabatik yani ısı geçirmez olarak düşünülmüştür; 310 K, 320 K, 330 K ve 345 K gibi farklı sıcaklıklardaki sıcak duvar için tüm nanoakışkanların analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizler sonrasında sıcak duvarlardan çekilen ısı akısı yardımıyla önce akışkanların h taşınım katsayısı hesaplanmış sonrasında, her akışkanın ısı iletim ve taşınım katsayıları yardımıyla akışkanların Nusselt Sayıları elde edilmiştir. 
Çalışmada sonuçlar Rayleigh Sayısının, hacimsel oranın, nanoparçacık türünün ve temel akışkan türünün Nusselt Sayısı üzerindeki etkileri göz önünde bulundurularak incelenmistir. Rayleigh Sayısının artışının, kullanılan tüm nanoparçacık türleri ve temel akışkan türleri için Nusselt Sayısını dolayısıyla ısı transferini iyileştirdiğini göstermiştir. Hacimsel oranın artışı, % 2 hacim oranına kadar oluşturulan bütün nanoakışkanlar için Nusselt sayısını arttırmıştır. Hacim oranı % 2'den fazla olduğu durumlarda Ti, TiO2 ve Al2O3 ile oluşturulan nanoakışkanlarda Nusselt sayısı hacim oranının artışıyla azalmaya başlamıştır. Cu ve CuO ile oluşturulan nanoakışkanlarda ise hacim oranları % 2 - % 7,5 aralığında artış gösterdikçe Nusselt sayısı artmaya devam ederken, % 7,5 hacim oranından sonra bu iki nanoparçacıkla oluşturulan nanoakışkanlar için de hacim oranının artışı Nusselt sayısını azaltmaya başlamıştır. 345 K sıcak duvar 285 K soğuk duvar sıcaklığında CuO - Su nanoakışkanı için ısı transferi saf su kullanıldığı duruma kıyasla % 4 artmıştır. Tüm nanoparcacıkların kıyaslaması yapıldığında, her durumda CuO diğer bütün parçacıklardan daha iyi sonuç verirken, Cu genelde CuO'ya çok yakın sonuçlar vermiştir. Ti, TiO2 ve Al2O3 genelde birbirlerine yakın sonuçlar vermiştir. Temel akışkanlar kıyaslandığında her koşulda Su, Etilen Glikol'den daha iyi sonuçlar vermiştir.

Abstract:
The fact that the heat transfer coefficient of metals and nonmetals is higher than that of liquids has revealed the need to use metal and nonmetal suspensions in heat transfer systems instead of conventional heat transfer fluids in the scientific world. However, in the first studies, the solid particles used in macro meter size began to subside after a period of time and the flow channels blocked some disadvantages and adversely affected the system performance. The reduction of the particles to the nanometric dimensions eliminated this sedimentation problem. The suspension of solid particles in nanometric dimensions with liquids having a high thermal conductivity coefficient is called nanofluid. Metals, oxides, carbides or nanocarbon tubes can be used as nanoparticles. Water, ethylene glycol or motor oil can be used as the base fluid.
The production of nanofluids is carried out in two basic ways: the 'One Step Method' and the 'Two Step Method'. One-step Method is based on producing a combination of nanoparticle and nanofluid. The Two Step Method is based on producing the nanoparticle first and then mixing it into the liquid with various physical and chemical methods to produce nano-liquid. In these two production methods, the Two-Step Method is used more frequently because of the low cost and shorter production time, but the nanofluids produced by the One-Step Method are more stable although they are produced in a much longer time and are very expensive.
Nanofluids nowadays can be used in tissue processing in the medical industry, as surface fluid and coating material, clean environmental pollution and in the pharmaceutical industry. Besides these, they can also be used in heat transfer applications in heat transfer applications in nanofluids, heat pumps, nuclear reactor cooling, cooling in electronic devices, transport of heat in solar power plants and system efficiency in heat exchangers. Last but not least, they can also reduce the size of the radiators in the automotive industry, improve system efficiency in the HVAC industry and can be used to cool the heated vehicles in the mining industry.
Heat transfer mechanism in nanofluids can be classified as static and dynamic. The static mechanism evaluates the effects of the particles on the heat transfer when they are steady in the nanofluid and the dynamic mechanism evaluates the effects of these particles on the heat transfer when they are in motion. Heat transfer in the static mechanism takes place through the clustering of the particles, forming a rapid heat conduction line, increasing the thermal conduction of the liquid interfaces around the particles and thermal conduction of the nanoparticles. The heat transfer in the dynamic mechanism is based on the Brownian motion of the nanoparticles due to the pull-push forces of the nanoparticles and the thermal transport in the nanoscale caused by the liquid molecules around the nanoparticles during this vibration movement.

Experimental studies show that the thermal conductivity of the nanofluids depends on many factors such as particle volume ratio, particle material, particle size, particle shape, basic fluid type and temperature. Studies have shown that as well as thermal conductivity, the viscosity also increases with the use of nanofluid compared to the basic fluid. So far, several theoretical and experimental studies have been conducted and various correlations have been proposed for the thermal conductivity and dynamic viscosity of nanofluids, but a general correlation has not been established due to the lack of a common understanding of the thermal conduction and viscosity mechanism of nanofluids.
In this thesis, heat transfer via natural convection in nanofluids was investigated by using computational fluid dynamics. All conservation equations were analyzed in the CFD program Ansys-Fluent and the Boussinesq equation was used for density and the calculations were repeated until the results were approximated. Conservation equations were solved numerically using the Pressure Based Solver. Steady-state solvent is used for all simulations. For the simulation of the natural convection flow Laminar Model, for the pressure - velocity coupling Simple Model  and for the pressure - velocity coupling Presto solutions  were used. While Water and Ethylene Glycol were used as the base fluid, Cu, CuO, Ti, TiO2 and Al2O3 were used as nanoparticles.
There are many models for obtaining physical data of nanofluids in the literature, but no approved model is available for any physical value. In this thesis, the dynamic model for the effective thermal conduction coefficient, the Einstein model for the viscosity, the Pak and Cho model for the density and the Xuan and Roetzel model for the specific heat were used and the physical data of all nanofluids for different temperature and volume ratio values were obtained.
It is assumed that the nanofluids used in this master's thesis are in single phase and the particles inside the fluids are suspended in the liquid. The volumetric ratio for the suspensions is chosen as 0,5, 1, 2, 5, 7,5 and 10 %, and the Rayleigh number is chosen as 2,39 x 107, 4,8 x 107, 9,8 x 107 and 1,61 x 108. The analyzes were performed in a two-dimensional square container (surface) with a single aspect ratio equal to one. The boundary conditions were fixed at 285 K for the cold (right) wall, while the upper and lower walls were considered adiabatic ie heat-proof; All nanofluids were analyzed at hot wall temperatures of 310 K, 320 K, 330 K and 345 K. After the analysis, first the thermal convection coefficient is calculated with the help of  heat flux from hot wall  and thermal convection coefficients of the fluids were used to obtain the Nusselt numbers of the fluids.
The results of the study were investigated by considering the effects of Rayleigh Number, volumetric ratio, nanoparticle type and base fluid type on Nusselt Number. It has been shown that the increase of  Rayleigh Number improves the Nusselt Number and accordingly the heat transfer for all types of nanoparticles and base fluid types used. The increase in the volumetric ratio increased the Nusselt number for all nanofluids generated up to a volume ratio of 2 %. In cases where the volume ratio is more than 2%, the Nusselt number in the nanofluids generated by Ti, TiO2 and Al2O3 has started to decrease with the increase in volume ratio. As the volume ratios of Cu and CuO increased in the range of 2 % - 7,5 % in the nanofluids, the Nusselt number continued to increase, whereas above 7,5 % volume ratio the Nusselt number started to decrease for nanofluids obtained with these two nanoparticles. Heat transfer for CuO - Water nanofluids increased by 4 % compared to the use of pure water under 345 K hot wall and 285 K cold wall temperatures. When all nanoparticles were compared, CuO gave better results than all other particles in every condition, whereas Cu gave very close results to CuO. Ti, TiO2 and Al2O3 generally gave close results to each other. While comparing to the base fluids, in all conditions, Water gave better results than Ethylene Glycol.