Hibrit nanoakışkan içeren kare şeklindeki kapalı bir ortamda doğal taşınımla ısı transferinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of natural convention heat transfer in a square closed enclosure containing hybrid nanofluid
Yazar: ABDULLAH DAĞDEVİREN
Danışman: DOÇ. DR. ENGİN GEDİK
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Enerji = Energy ; Enerji tasarrufu = Energy saving

Özet:
Bu çalışmada, tekil (Al2O3/su) ve hibrit (Al2O3-SiO2/su) nanoakışkanları ile doldurulan kare şeklindeki kapalı bir ortamda doğal taşınımla ısı transferi olayı sayısal olarak incelenmiştir. Sayısal hesaplamalar nanoakışkanların tek faz (homojen) yaklaşımı ile sonlu elamanlar yöntemine dayalı çözümleme yapabilen COMSOL MULTIPHYSICS programında gerçekleştirilmiştir. Kapalı ortamın sol ve sağ dikey duvarları sırasıyla sıcak (Th) ve soğuk (Tc) olacak şekilde sabit sıcaklıkta tutulurken yatay alt ve üst duvarları adyabatik olarak kabul edilmiştir. Çalışmada Rayleigh sayısının (103 ≤ Ra ≤ 106), nanopartikül hacimsel konsantrasyon oranının (0.00 ≤ φ ≤ 0.04) tekil ve hibrit nanoakışkan kullanımının doğal taşınım ısı transferi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Sayısal çalışmadan elde edilen sonuçlar ilgili parametreler dikkate alınarak akım çizgileri, izoterm, ortalama ve yerel Nusselt sayılarının değişimleri grafiksel olarak sunulmuş ve detaylı bir şekilde irdelenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre; tüm Rayleigh sayısı değerlerinde nanopartikül hacimsel konsantrasyon oranının artışı ısı transferini arttırmaktadır. Rayleigh sayısının artması durumunda hem Al2O3/su nanoakışkanı hemde Al2O3-SiO2 /su hibrit nanoakışkanı için yerel Nusselt sayılarının arttığı görülmüştür. Nu sayısındaki maksimum artış miktarı Al2O3/su ve Al2O3-SiO2 /su nanoakışkanları için sırasıyla %17,39 ve %7,2 olarak elde edilmiştir. Bu oranlar nanopartikül hacimsel konsantrasyon oranının sırasıyla %2,0 ve %4,0 değerlerinde ve düşük Ra sayılarında (<104) gerçekleşmiştir. Düşük Rayleigh sayılarında her iki nanoakışkanda ortalama Nu sayısının artış eğiliminde olduğu bulunmuştur. Yüksek Rayleigh sayılarında ise Al2O3/su nanoakışkan kullanıldığı durumda %2 konsantrasyon değerinden sonra azalış eğiliminde iken Al2O3-SiO2 /su nanoakışkanı kullanıldığı durumda ortalama Nu sayısının devamlı artış eğiliminde olduğu görülmüştür. Elde edilen sonuçların literatürde yapılan benzer çalışmalar ile uyum içerisinde olduğu görülmüştür.

Abstract:
In this study, the effects of mono (Al2O3/water) and hybrid (Al2O3-SiO2/water) nanofluids in a square cavity on natural convection have been investigated numerically.  Numerical calculations were performed in COMSOL MULTIPHYSICS program, which can perform analysis based on finite element method with single phase (homogeneous) approach of nanofluids. The left and right vertical walls of the square are kept at a constant temperature such as hot (Th) and cold (Tc), respectively, while the horizontal lower and upper walls are considered adiabatic. In this study, the effects of Rayleigh number (103 ≤ Ra ≤ 106) and nanoparticle volumetric fractions ratio (0.00 ≤ φ ≤ 0.04) and hybrid nanofluid use on natural convection heat transfer were investigated. The results obtained from the numerical study were presented graphically and the changes of streamlines, isotherm, average and local Nusselt numbers were presented in detail, taking into account the relevant parameters. According to the results obtained; Increasing the nanoparticle volumetric concentration ratio at all Rayleigh number values increases the heat transfer. It was seen that the local Nusselt numbers increased for both Al2O3/water nanofluid and Al2O3-SiO2/water hybrid nanofluid when the Rayleigh number increased. The maximum increase in Nu number was obtained as 17.39% and 7.2% for Al2O3/water and Al2O3-SiO2/water nanofluids, respectively. These ratios were realized at 2.0% and 4.0% values of nanoparticle volumetric concentration, respectively in low Ra numbers (<104). It has been found that the average Nu number in both nanofluids tends to increase at low Rayleigh numbers. In high Rayleigh numbers, (Al2O3/water) nanofluid tends to decrease after 2% concentration value, while hybrid (Al2O3-SiO2/water) nanofluid tends to increase continuously. It has been observed that the results obtained are in agreement with similar studies in the literature.