Farklı dalga tiplerinde alternatif manyetik alan etkisi altında dairesel kesitli kanal içerisindeki hibrit nanoakışkanın akış ve ısı transferi karakteristiklerinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of flow and heat transfer characteristics of hybrid nanofluid in a cylindrical cross-sectioned channel under the effect of different waveform types of alternating magnetic field
Yazar: MUTLU TEKİR
Danışman: PROF. DR. KAMİL ARSLAN
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Isı geçişi = Heat transfer ; Laminer akış = Laminar flow ; Metal nanopartiküller = Metal nanoparticles ; İç akış = Internal flow

Özet:
Bu çalışmada  ısı transferi uygulamalarında karşılaşılan aktif ve pasif tekniklerin bir arada kullanılmasıyla kanal içi taşınım ile ısı transferinin arttırılması amaçlanmıştır. Bu amaçla, yapılan bu tez çalışması kapsamında sabit manyetik alan (DC) ve alternatif manyetik alan (AC) etkisi altındaki dairesel kesitli kanal içerisinde akmakta olan hibrit nanoakışkan (Fe3O4-Cu/su) akışının akış ve ısı transferi karakteristikleri deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Yapılan deneysel çalışmalarda çalışma akışkanı olarak, Fe3O4-Cu nanopartiküllerinin farklı hacimsel konsantrasyonlarda (%1,5-%0,5,     %1,0-%1,0, %0,5-%1,5) baz akışkan saf su içerisine katılarak oluşturulan hibrit nanoakışkanlar ve %2,0 nanopartikül hacimsel konsantrasyonlarına sahip Fe3O4/su manyetit nanoakışkanı ile Cu/su nanoakışkanı kullanılmıştır. Çalışmalar laminer akış (1000≤Re≤2300) ve zorlanmış taşınım şartlarında sabit ve alternatif manyetik alanın uygulandığı ve uygulanmadığı durumlar için gerçekleştirilmiştir. Uygulanan manyetik alan şiddeti sabit olup 0,3 T değerindedir. Alternatif manyetik alan uygulaması sinüs, kare ve üçgen dalga tiplerinde, f=2 Hz, f=5 Hz ve f=15 Hz frekanslarında gerçekleştirilmiştir. 
Çalışmalar sonucunda; kanal içi ısıl performans için optimum alternatif manyetik alan frekansı, alternatif manyetik alan dalga tipi, akış hızı ve hacimsel nanopartikül konsantrasyonu belirlenmiştir. Çalışma sonuçları incelendiğinde, sabit manyetik alan uygulandığı durumda, çalışma akışkanı olarak %2,0 Fe3O4/su nanoakışkanının kullanımı, en iyi ısı transferi performansını göstermiştir. Alternatif manyetik alan etkisi altında ise, f=5 Hz ve sinüs dalga tipinde %2,0 Fe3O4/su nanoakışkanının çalışma akışkanı olarak kullanıldığı durum diğer çalışmalar içerisinde en yüksek ısıl performans değerini sağlamıştır. Sayısal analizler de aynı şekilde %2,0 Fe3O4/su nanoakışkanının sabit manyetik alan etkisi altında diğer sayısal çalışmalar içerisinde en yüksek ısıl performans değerini sağlamıştır. Sabit manyetik alan etkisi altında hibrit nanoakışkanların ısıl performansı, Fe3O4 hacimsel nanopartikül konsantrasyonuyla doğru orantılı sonuç vermektedir.

Abstract:
In this study, it is aimed to enhance convective heat transfer in channel using together the passive and active methods which are widely encountered in heat transfer applications. For this purpose, within the scope of this dissertation, flow and heat transfer characteristics of hybrid nanofluid (Fe3O4-Cu/water) flowing in a cylindrical cross-sectioned channel under the effect of constant magnetic field (DC) and alternating magnetic field (AC) have been experimentally and numerically determined. In the experimental studies hybrid nanofluids, which consists of different volumetric nanoparticle concentrations of Fe3O4-Cu nanoparticles dispersed in water (1.5% Fe3O4-0.5% Cu, 1.0% Fe3O4-1.0% Cu, 0.5% Fe3O4-1.5% Cu), and 2.0% Fe3O4/water magnetite nanofluid, 2.0% Cu/water nanofluid were used as working fluids. The studies were conducted under laminar flow regime (1000≤Re≤2300) and forced convection conditions in the absence of a magnetic field and under the effect of magnetic field. Magnetic field magnitude is B=0.3 T. Alternating magnetic field applications were conducted under 9 different conditions with sinus, square, triangle wave types, and f=2 Hz, f=5 Hz, f=15 Hz frequencies. 
In the results of studies, optimum frequency, optimum waveform of alternating magnetic field, fluid velocity, and volumetric nanoparticle concentration have been determined for best thermal performance of internal flow. The results showed that under the effect of constant magnetic field usage of 2.0% Fe3O4/water as working fluid shows the best performance among constant magnetic field applications. Usage of 2.0% Fe3O4/water as working fluid under the effect of sinus type f=5 Hz frequency alternating magnetic field shows the best overall thermal performance among other studies. Numerical analyses show that under constant magnetic field effect 2.0% Fe3O4/water nanofluid as a working fluid gives the best overall thermal performance among other studies. Under the constant magnetic field effect, thermal performance of hybrid nanofluids are proportionate with Fe3O4 volumetric nanoparticle concentration in them.