Nanoakışkanların kare kanal içerisindeki laminer akışı ve ısı transferinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of laminar flow of nanofluids and heat transfer in square duct with computational fluid dynamics
Yazar: İREM GÜL
Danışman: DOÇ. DR. ENGİN GEDİK
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu çalışmada, kare kesitli bir kanalda, sabit ısı akısı altında (q=10000 W/m2) sıkıştırılamaz, viskoz, laminer zorlanmış taşınımla ısı transferi sayısal olarak incelenmiştir. Sayısal çalışmada, sonlu hacimler tekniğine dayalı çözümleme yapabilen ANSYS Fluent 15.0 HAD analiz programı kullanılmıştır. Hidrolik çapı Dh=0,01 m olan kanal uzunluğu 1 m'dir. Akışkanın kanal girişinde sabit sıcaklıkta (293 K) ve üniform hıza sahip olduğu kabul edilerek hesaplamalar hidrodinamik olarak tam gelişmiş laminer akış koşulları için yapılmıştır. Akışkan tipi (su, etilen glikol, H2O-Al2O3, H2O-TiO2, C2H6O2-Al2O3, C2H6O2-TiO2), akış hızı (0,01 ≤ V ≤ 0,05 m/s), nanopartikül hacimsel konsantrasyon oranı (1 ≤ φ ≤ 4) ve nanoakışkan vizkozite modeli (Batchelor ve Buongiorno) gibi bazı parametrelerin; ısı taşınım katsayısı (h), Nusselt sayısı (Nu), Peclet sayısı (Pe), Darcy sürtünme faktörü (f) ve basınç düşümü (ΔP) gibi akış ve ısı transferi karakterisikleri üzerindeki etkileri incelenmiştir.
Sayısal çalışmadan elde edilen sonuçlar ilgili parametreler dikkate alınarak grafiksel olarak gösterilmiş ve detaylı bir şekilde tartışılmıştır. 
Elde edilen sonuçlara göre baz akışkana nanoparçacık ilave edilmesi ısı transferini önemli ölçüde arttırdığı görülmüştür. Grafiklerin sonucuna göre, saf suya eklenen TiO2 nanoparçacık, Al2O3 nanoparçacık ile karşılaştırıldığında daha yüksek ısı transfer katsayısı değerlerine sahiptir. Isı taşınım katsayısındaki maksimum artış miktarı saf suya eklenen Al2O3 nanoparçacığı için %4 hacimsel konsantrasyonda yüzdelik artış miktarı %10,68 ve TiO2 nanoparçacığı için ise %31,55 olarak hesaplanmıştır. Etilen glikol nanoakışkanı için maksimum artış %4 hacimsel konsatrasyonda Al2O3 nanoparçacığı için %10,54 ve TiO2 nanoparçacığı için ise %9,78 olarak hesaplanmıştır. Ayrıca boyutsuz basınç düşüşü, Darcy sürtünme faktörü, Nusselt sayısı ve  Peclet sayısı hesaplanmış ve grafikleri gösterilmiştir.

Abstract:
In this study, heat transfer of the incompressible, viscous, laminar flow by forced transport under a constant wall heat flux (10000W/m2) in a square section channel was investigated numerically. One side of the square is 0.01 m and the length of the channel is 1 m. H2O, H2O-Al2O3, H2O-TiO2, C2H6O2, C2H6O2-Al2O3 and C2H6O2-TiO2 nanofluids were selected as working fluids for the problem. The nanofluid inlet temperature was 293K, and the velocities were varied between 0,01 m/s and 0,05 m/s. Numerical analyzes were performed by using TiO2 and Al2O3 nanoparticles in volume (1%, 2%, 3% and 4%).
The flow was assumed to be uniform at the channel entrance and the calculations were made for hydrodynamically fully developed laminar flow conditions. In numerical study, ANSYS Fluent 15.0, which is capable of analyzing finite volume methods, was used to solve the problems related to continuity, momentum and energy equations iteratively. The effects of flow velocity, nanofluid viscosity model (Batchelor ve Buongiorno) and volume fractions of nanoparticle on the convective heat transfer (h), Nusselt number (Nu), Peclet number (Pe), Darcy friction factor (f) and pressure drop (ΔP) has been investigated. The results obtained from the numerical study are shown graphically by taking into consideration the related parameters and discussed in detail.
According to the results obtained, adding nanoparticle to the base fluid significantly increased heat transfer. According to the results of the graphs, TiO2 nanoparticle added to pure water has higher heat transfer coefficient values compared to Al2O3 nanoparticle. The maximum increase in heat transfer coefficient was calculated at 4% volumetric concentration, 10.68% for Al2O3 nanoparticle and 31.55% for TiO2 nanoparticle. The maximum increase for ethylene glycol nanofluid was calculated at 4% volumetric concentration, 10.54% for Al2O3 nanoparticles and 9.78% for TiO2 nanoparticles. In addition, dimensionless pressure drop and Darcy friction factor, Nusselt number and Peclet number are computed and their graphs are showed.