Borularda nanoakışkanlı geçici rejim birleşik ısı transferinin iki fazlı yaklaşım ile incelenmesi
Two-phase analysis on transient conjugate heat transfer in pipes with nanofluids
Yazar: OLIVIER MUKONGO MPUKUTA
Danışman: PROF. DR. ŞEFİK BİLİR
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışma, kalın cidarlı bir boruda nanoakışkan akışı ile geçici birleşik ısı transferinin sayısal analizini ele almaktadır. Laminer, hidrodinamik olarak gelişmiş ve ısıl olarak gelişen akış için hem radyal hem de eksenel iletim terimleri hem cidar hem de nanoakışkan  tarafı enerji denklemlerinde dikkate alınmıştır. Boru iki bölgelidir ve her iki yönde de sonsuz uzunluktadır. Üst akış bölgesi dıştan yalıtılırken, alt akış bölgesinde cidarın dış yüzeyine aniden üniform bir ısı akısı uygulanmaktadır. Nanoparçacık hacim oranı dağılımının etkilerini tam olarak hesaba katan iki fazlı modifiye Buongiorno modeli kullanılmış ve cidar-nanoakışkan arayüzeyinde Navier'in kayma sınır koşulu uygulanmıştır. Problemin tanımlayıcı parametrelerinin etkilerini görebilmek için parametrik bir çalışma yapılmıştır ve bu amaçla cidar kalınlık oranı (d' = 0.02, 0.1 ve 0.3), cidar-nanoakışkan ısı iletkenlik katsayısı oranı (kwnf = 1, 10 ve 20), cidar-nanoakışkan ısıl yayılım katsayısı oranı (αwnf  =1, 5 ve 20), Peclet sayısı (Pe =3, 5 ve 10), yığık ortalama nanoparçacık hacim oranı (ϕb = 0, 0.02 ve 0,04), hız kayma parametresi (λ = 0, 0,1 ve 0,3) ve Brownian ve termoforez yayılım katsayısı oranının (NBT = 0,1, 0,5, 5 ve 10) farklı değerleri ile çözümler yapılmıştır. Çalışma için yeni bir MATLAB kodu yazılmış, alümina-su ve titania-su olmak üzere iki tip nanoakışkan için sonuçlar elde edilmiş ve baz akışkan için elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Cidar dış ve iç yüzey sıcaklıkları, nanoakışkan yığık sıcaklığı, arayüzey ısı akısı ve Nusselt sayısının zamana bağlı dağılımları incelenmiştir. Ayrıca, tanımlayıcı parametrelerin nanoparçacıkların belirli bir kesit boyunca hareketi üzerindeki etkileri de analiz edilmiştir. Sonuçlar, ısı transferi karakteristiklerinin sadece baz akışkana nanoparçacıklar eklenerek iyileştirilemeyeceğini, aynı zamanda nanoparçacık türünün ve tanımlayıcı parametreler için uygun değerler seçmenin de çok önemli olduğunu ortaya koymuştur. Ayrıca, nanoparçacıkların boru kesiti boyunca homojenliğinin, dikkate alınan tanımlayıcı parametrenin değerinin büyüklüğüne bağlı olduğu görülmüştür.

Abstract:
The present study deals with the numerical analysis of transient conjugate heat transfer with nanofluid flow in a thick-walled pipe. Laminar, hydrodynamically developed and thermally developing flow is considered and both radial and axial conduction terms are taken into account both in the wall and nanofluid energy equations. The pipe is two-regional and extends infinitely in both directions. The upstream region is externally insulated while a uniform heat flux is suddenly applied on the outer surface of the wall in the downstream region. The two-phase modified Buongiorno model that fully accounts for the effects of nanoparticle volume fraction distribution is employed and the Navier's slip boundary condition is applied on the wall-nanofluid interface. To better map the effects of defining parameters of the problem, a parametric study is done i.e.; wall thickness ratio (d' = 0.02, 0.1 and 0.3), wall-to-nanofluid thermal conductivity ratio (kwnf = 1,10 and 20), wall-to-nanofluid thermal diffusivity ratio (αwnf  =1, 5 and 20), the Peclet number (Pe =3, 5 and 10), bulk mean nanoparticle volume fraction (ϕb = 0, 0.02 and 0.04, velocity slip parameter(λ = 0, 0.1 and 0.3), and the ratio of Brownian to thermophoretic diffusivities(NBT = 0.1, 0.5, 5 and 10). The governing equations are solved numerically using the finite volume method. A new MATLAB code is written for the study and the results are obtained for two types of nanofluids, namely alumina-water and titania-water, and compared with the results for the base fluid. Transient distributions of outer and inner wall temperatures, bulk temperature, interfacial heat flux and Nusselt number are investigated. In addition, the effects of defining parameters on the migration of nanoparticles across a given section are also analyzed. The results revealed that heat transfer characteristics can not only be improved by adding nanoparticles to the base fluid, but the type of nanoparticles and that selecting appropriate values for the defining parameters are also crucial. Moreover, the uniformity of nanoparticles over the pipe's cross-section depends on the magnitude of the value of the defining parameter taken into account.