Sabit manyetik alan etkisi altında dairesel kesitli kanal içerisinde akan  ferro nanoakışkanın akış ve ısı transferi karakteristiklerinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of flow and heat transfer characteristics of ferro nanofluid flowing in a circular sectional channel under the effect of constant magnetic field
Yazar: EDİP TAŞKESEN
Danışman: DOÇ. DR. ENGİN GEDİK
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Bu çalışmada ısı transferi uygulamalarında karşılaşılan aktif ve pasif tekniklerin bir arada kullanılmasıyla kanal içi taşınım ile ısı transferinin iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, çalışma kapsamında laminer ve türbülanslı akış şartlarında sabit manyetik alanın (B=0,3 T) uygulandığı ve uygulanmadığı durumlar için dairesel kesitli kanal içerisinde akmakta olan %1,0, %2,0 ve %5,0 olmak üzere üç farklı nanopartikül hacimsel konsantrasyon oranlara sahip ferronanoakışkan (Fe3O4/su) akışının akış ve ısı transferi karakteristikleri deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Deneysel çalışmada manyetik alan oluşturabilmek için bir elektromanyetik cihaz tasarlanmış ve imal edilmiştir. Deneysel çalışmadan elde edilen sonuçların doğruluğunu gösterebilmek ve deneysel çalışmalarda gözlemlenemeyen sıcaklık, hız ve basınç dağılımlarını gözlemleyebilmek amacıyla sayısal çalışmalar ANSYS Fluent yazılımında gerçekleştirilmiştir. 

Deneysel ve sayısal çalışmalardan elde edilen sonuçlara göre hem laminer hem de türbülanslı akış şartlarında saf su yerine naoakışkan kullanımı taşınımla gerçekleşen ısı transferini arttırmıştır. Deneysel sonuçlara göre, laminer akış şartlarında manyetik alanın uygulanmadığı durumda, en yüksek taşınımla ısı transfer artış miktarı saf su kullanılan duruma göre %5,28'e varan artış sunan %2,0 Fe3O4/su nanoakışkanında elde edilirken, türbülanslı akış şartlarında %20,45'e varan artış ile %1,0 Fe3O4/su nanoakışkanında elde edilmiştir. En yüksek Darcy sürtünme faktörü değerleri ise laminer ve türbülanslı akış şartlarında sırasıyla %52,08 ve %49,85 oranları ile %2,0 Fe3O4/su nanoakışkanında meydana gelmiştir. Bunun yanında, akışa manyetik alan uygulanması kanal içi ısı taşınımını arttırırken, kanal içi basınç düşümü değerlerini daha yüksek miktarlarda arttırdığı görülmüştür. Sabit manyetik alan uygulandığı durumda saf su kullanılan duruma göre laminer akış şartı için en yüksek taşınımla ısı transferi artışı %8,32 ile %2,0 Fe3O4/su nanoakışkanında elde edilirken, türbülanslı akış şartlarında bu oran %7,22 olmuştur. Ayrıca çalışmada, ısı transferi artış miktarları ve kanal içi basınç düşümü değerleri birlikte değerlendirildiğinde nanaoakışkanların Performans Değerlendirme Katsayıları (PDK) belirlenmiştir. Buna göre manyetik alanın uygulanmadığı durumda laminer ve türbülanslı akış şartları için %1,0 Fe3O4/su nanoakışkanı en ideal çalışma akışkanı olmuştur. Manyetik alan uygulandığı durumda ise laminer ve türbülanslı akış şartları için %2,0 Fe3O4/su nanoakışkan daha iyi performans gösterdiği tespit edilmiştir. Bununla birlikte, aynı şartlar için gerçekleştirilen sayısal çalışma sonuçları ile deneysel sonuçlar karşılaştırılmış olup birbirleri arasındaki farkların ortalama olarak %8,0-15,0 aralığında değiştiği belirlenmiştir.

Abstract:
In this study, it is aimed to improve the heat transfer by convection through the use of active and passive techniques, which are encountered in heat transfer applications. For this purpose, flow and heat transfer characteristics of ferronanofluid (Fe3O4/water) with different nanoparticle volumetric concentration ratios (1.0%, 2.0%, and 5.0%) flowing in a circular cross-sectioned channel were studied experimentally and numerically, for the cases which a constant magnetic field (B=0.3 T) is applied and not applied under laminar and turbulent flow conditions within the scope of the study. In the experimental study, an electromagnetic device was designed and manufactured in order to generate a magnetic field. Numerical studies were carried out in ANSYS  
Fluent software in order to show the accuracy of the results obtained from the experimental study and to observe the temperature, velocity and pressure distributions that could not be observed in experimental studies.

According to the results obtained from experimental and numerical studies, using nanofluid instead of pure water increased the convective heat transfer under both laminar and turbulent flow conditions. According to the experimental results under laminar flow conditions, the highest convective heat transfer increase in the absence of a magnetic field is obtained by 2.0% Fe3O4/water nanofluid with an increase of up to 5.28% compared to the case where the pure water is used, while an increase of up to 20.45% is reached by 1.0% Fe3O4/water nanofluid according to the experimental results under turbulent flow conditions. The highest Darcy friction factor values were acquired by 2.0% Fe3O4/water nanofluid with the increases of 52.08% and 49.85% under laminar and turbulent flow conditions, respectively. In addition, the application of magnetic field to the flow increased the heat transfer within the channel, while increasing the pressure drop values in the channel at higher amounts. In the case of constant magnetic field application, the highest convective heat transfer increase is obtained by 2.0% Fe3O4/water nanofluid with an increase of 8.32% compared to the case of pure water under laminar flow conditions, whereas it is 7.22% under turbulent flow conditions. In addition, the performance evaluation coefficients (PDK) of nanofluids were determined by evaluating the heat transfer increase amounts and the pressure drop values in the channel together in the study. Accordingly, 1.0% Fe3O4/water nanofluid was the most ideal working fluid for laminar and turbulent flow conditions in the absence of a magnetic field. In the case of applyed magnetic field, it was determined that 2.0% Fe3O4/water nanofluid performed better for both laminar and turbulent flow conditions, respectively. Furthermore, the results of the numerical study performed for the same conditions were compared with the experimental results and it was determined that the differences between each other varied between 8.0-15% on average.