Nano akışkanlı bir tüp içerisinde zorlanmış konveksiyonla ısı transferinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of laminar forced convection heat transfer in a pipe with nanofluid
Yazar: LOKMAN İLBİLGİ
Danışman: PROF. DR. MECİT SİVRİOĞLU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Isı akısı = Heat flux ; Isı geçişi = Heat transfer ; Laminer akış = Laminar flow ; Sabit yüzey sıcaklığı = Constant surface temperature ; Zorlanmış taşınım = Forced convection

Özet:
Bu çalışmada laminar akış şartlarında bir boru içerisindeki nano akışkanın sabit duvar sıcaklığında ve sabit ısı akılarında zorlanmış konveksiyonla ısı transferi sayısal olarak incelenmiştir. Çalışmada akışkan olarak su içerisinde hacimsel olarak farklı konsantrasyon oranlarında (0,002, 0,01, 0,015, 0,02 ve 0,025) ve 20 nm boyutundaki Al2O3 nano partiküllerinin bulunduğu nano akışkan ele alınmıştır. Çalışmada akışkan boru içerisine üniform olarak girmiş olup, boru içerisinde tam gelişmiş hale getirilmiş ve test alanında ise tam gelişmiş şartlara göre incelemeleri yapılmıştır. Test alanında boru duvarına sabit duvar sıcaklığı ve sabit ısı akıları uygulanmıştır. Çalışmada farklı Peclet(Pe) sayılarında hem su için hem de içerisinde farklı konsantrasyon oranlarında Al2O3 nano partiküllerinin bulunduğu nano akışkan için sayısal incelemeler yapılmıştır. Sayısal çalışmalar FLUENT paket programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen çalışmalarda elde edilen sonuçlar, boyutsuz büyüklükler cinsinden sunulmuştur. Boyutsuz hız, boyutsuz sıcaklık, ve Nusselt sayısı değişimlerine ek olarak vektörel hız dağılımları, hız ve sıcaklığa ait kontur grafikleri de ayrıntılı olarak sunulmuştur. Yapılan sayısal çalışmada nano partükül hacimsel oranının, Reynolds (Re) sayısının ve duvar sınır şartlarının ısı transferine etkileri, boru boyunca ısı transfer katsayısının, Nusselt(Nu) sayısının değişimi ve bu değerlerin ortalamaları cinsinden sunularak elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir. Akış hızı, duvar sınır şartı ve nano partükül hacimsel oranı gibi parametrelerin etkilerinin daha iyi gözlenebilmesi açısından boyutsuz hız ve sıcaklık dağılımları da göz önünde bulundurularak sonuçlar yorumlanmıştır.Sabit duvar sıcaklığı için gerçekleştirilen sayısal çalışmanın sonuçları literatürdeki deneysel sonuçlarla ve Seider-Tate korelasyonu ile kıyaslanmıştır. Yapılan kıyaslamalarda sonuçların deneysel verilerle büyük ölçüde örtüştüğü görülerek, nümerik model doğrulanmış, doğrulanan bu model kullanılarak sabit duvar ısı akısı sınır şartları için analizler tekrarlanmıştır.Çalışmada genel olarak akışkan içerisinde bulunan Al2O3 nano partiküllerinin hacimsel oranı arttıkça Nusselt sayısı (Nu) ve ısı transfer katsayısı (h) değerlerinde belirgin artışların olduğu, partikül oranı ayrıca Pe sayısındaki artışa paralel olarak Nu ve h değerlerinin yükseldiği görülmüştür. Bunlara ek olarak partikül dağılımın hız profillerine olan etkisi de detaylı olarak sunulmuştur.

Abstract:
In this study, laminar forced flow of nanofluid in a pipe is numerically investigated by applying constant wall temperature and constant wall heat flux boundary conditions. The working fluid in the study was a mixture of 20 nm Al2O3 nanoparticles and water which has different volume fractions(0,002, 0,01, 0.015, 0,02, 0,025). In the analyses, inlet flow is assumed to be uniform. The flow is developed in the unheated part of the pipe and it becomes fully developed at the test section.The constant wall temperature and constant wall heat flux boundary conditions are applied to the test section. Analyses are performed for various Peclet numbers with different nano particle volume fractions and water only. The numerical modelling and analyses are made by using the commercial Computational Fluid Dynamics(CFD) code FLUENT. The results of these analyses are represented in terms of non-dimensional quantities such as non-dimensional velocity, non-dimensional temperature and Nusselt numbers. In addition to variation of these non-dimensional quantities, temperature and velocity vectors are also given for the different boundary and flow conditions.Regarding the results obtained and using the dimensionless parameters, effects of nano particle volume fraction, Reynolds number and wall boundary condition on Nusselt number and heat transfer coefficient variation along the pipe are discussed in detail. Moreover the pipe averaged Nusselt and heat transfer coefficients are also represented and discussed in detail in the scope of this investigation.The verification of the numerical model and the analysis method is done by comparing the constant wall temperature case CFD results with the available experimental data in the literature. Comparisons showed that the results were in good agreement with the experimental data. The validated CFD model is used for performing different analyses by applying different constant wall heat flux boundary conditions.When the results are considered, it can be said that by increasing the nano particle concentration of a nano fluid it is possible to increase the heat transfer coefficients(h) and Nusselt numbers(Nu) substantially. Additionally nano particle dispersion in the flow has a considerable effect on the radial velocity variation.