Investigation of Flow and Thermal Characteristics of Investigation of Flow and Thermal Characteristics of Hybrid Nanofluid in a Straight Microchannel

Abstract

Bu çalışmada düz bir mikrokanal içerisindeki hibrid nanoakışkanın ısıl ve akış karakteristikleri incelenmiştir. Bunun için hibrid nanoakışkanlar kullanılmıştır. Baz sıvıya nanoakışkan kullanımı ile suyun ısıl iletkinliği arttırılarak ısı transferinde iyileştirmeler sağlanmaktadır. Birden fazla nanopartikülün çeşitli hacim fraksiyonlarında baz sıvıya ilave edilmesi ile hibrid nanoakışkan kavramı ortaya çıkmaktadır. Bu sayede tek çeşit partikül ile elde edemediğimiz ısıl verim artışını elde etme fırsatı yakalamaktayız. Çalışmada baz akışkan olarak su kullanılmış olup nanopartikül olarak Al2O3 ve CuO kullanılmıştır. Hacim fraksiyonu olarak %1, %2, %3, %4, %5 oranlarında baz akışkana nanopartikül ilave edilmiştir. Laminer akış rejiminde gerçekleştirilen sayısal çalışmada Reynolds sayıları 100, 300, 700, 1000 olarak ele alınmıştır. Bu çalışmada sonlu hacimler metoduna dayanan ANSYS Fluent yazılımı kullanılmıştır. Analizler tek fazlı akış yöntemi esasına göre yapılmıştır. Sonuçlar değişen Re sayısı aralığında Nusselt Sayısı, ısı taşınım katsayısı ve basınç düşümü grafikleri ile sunulmuştur. Re sayısının artması ve baz akışkan içerisindeki nanopartikülün hacimsel fraksiyon oranının artması ile taşınım katsayısı önemli bir şekilde artmıştır. Artan Re sayılarında bu etki daha da belirgin hale gelmektedir. Artan hacim fraksiyonlarında Nu sayısında bir azalma söz konu olmaktadır. Ortalama Nu sayısındaki bu azalma, suya nanopartikül ilave edilmesi sonucunda akışkanın ısı iletim katsayısında meydana gelen artışın, akışın ısı taşınım katsayısında meydana gelen artıştan daha fazla olmasından kaynaklanmaktadır. Baz akışkan içerisindeki nanopartikül oranının artması ile basınç düşümü artmaktadır. Basınç düşümündeki bu duruma sebebiyet veren ise viskozitede meydana gelen artıştır.

Keywords

• : Hibrid nanoakışkan
• ANSYS Fluent
• Mikrokanal
• Laminer akış
• Isı transferi.

Düz Bir Mikrokanal İçerisindeki Hibrid Nanoakışkanın Akış ve Isıl Karakteristiklerinin İncelenmesi

Öz

Bu çalışmada düz bir mikrokanal içerisindeki hibrid nanoakışkanın ısıl ve akış karakteristikleri incelenmiştir. Bunun için hibrid nanoakışkanlar kullanılmıştır. Baz sıvıya nanoakışkan kullanımı ile suyun ısıl iletkinliği arttırılarak ısı transferinde iyileştirmeler sağlanmaktadır. Birden fazla nanopartikülün çeşitli hacim fraksiyonlarında baz sıvıya ilave edilmesi ile hibrid nanoakışkan kavramı ortaya çıkmaktadır. Bu sayede tek çeşit partikül ile elde edemediğimiz ısıl verim artışını elde etme fırsatı yakalamaktayız. Çalışmada baz akışkan olarak su kullanılmış olup nanopartikül olarak Al2O3 ve CuO kullanılmıştır. Hacim fraksiyonu olarak %1, %2, %3, %4, %5 oranlarında baz akışkana nanopartikül ilave edilmiştir. Laminer akış rejiminde gerçekleştirilen sayısal çalışmada Reynolds sayıları 100, 300, 700, 1000 olarak ele alınmıştır. Bu çalışmada sonlu hacimler metoduna dayanan ANSYS Fluent yazılımı kullanılmıştır. Analizler tek fazlı akış yöntemi esasına göre yapılmıştır. Sonuçlar değişen Re sayısı aralığında Nusselt Sayısı, ısı taşınım katsayısı ve basınç düşümü grafikleri ile sunulmuştur. Re sayısının artması ve baz akışkan içerisindeki nanopartikülün hacimsel fraksiyon oranının artması ile taşınım katsayısı önemli bir şekilde artmıştır. Artan Re sayılarında bu etki daha da belirgin hale gelmektedir. Artan hacim fraksiyonlarında Nu sayısında bir azalma söz konu olmaktadır. Ortalama Nu sayısındaki bu azalma, suya nanopartikül ilave edilmesi sonucunda akışkanın ısı iletim katsayısında meydana gelen artışın, akışın ısı taşınım katsayısında meydana gelen artıştan daha fazla olmasından kaynaklanmaktadır. Baz akışkan içerisindeki nanopartikül oranının artması ile basınç düşümü artmaktadır. Basınç düşümündeki bu duruma sebebiyet veren ise viskozitede meydana gelen artıştır.

Anahtar Kelimeler

• Hibrid nanoakışkan
• ANSYS Fluent
• Mikrokanal
• Laminer akış
• Isı transferi

Kaynakça

1. R. Vinoth and B. Sachuthananthan, ‘’Flow and heat transfer behavior of hybrid nanofluid through microchannel with two different channels’’, International Communications in Heat and Mass Transfer, v.123, pp.105194, 2021.
2. V. M. Krishna, M. Kumar, O. Mahesh, P. S. Kumar, “Numerical investigation of heat transfer and pressure drop for cooling of microchannel heat sink using MWCNT-CuO-Water hybrid nanofluid with different mixture ratio”, Materials Today: Proceedings, 969-974, 2021.
3. M. Zargartalebi, J. Azaiez, “Heat transfer analysis of nanofluid based microchannel heat sink’’, International Journal of Heat and Mass Transfer, 2018, 1233-1242.
4. M. A R Sadiq Al-Baghdadi, Z. M H Noor, A. Zeiny, A. Burns and D. Wen “CFD Analysis of a Nanofluid-Based Microchannel Heat Sink”,Thermal Science and Engineering Progress, vol. 20 p. 100685, 2020
5. V.A. Martínez, D.A. Vasco,C. M. García-Herrera, R. Ortega-Aguilera, “ Numerical study of TiO2-based nanofluids flow in microchannel heat sinks: Effect of the Reynolds number and the microchannel height’’, Applied Thermal Engineering, v.161, pp.114130, 2019.
6. S. Savithiri, A. Pattamatta , S.K. Das, “Scaling analysis for the investigation of slip mechanisms in nanofluids’’, Nanoscale Research Letters, v.6, pp. 471, 2011.
7. M.Z. Khan, M.Y. Younis, N. Akram, B. Akbar, U.A. Rajput, R. A. Bhutta, E. Uddin, M. A. Jamil, F.P.G. Márquez, F. B. Zahid, “ Investigation of heat transfer in wavy and dual wavy micro-channel heat sink using alumina nanoparticles’’, Case Studies in Thermal Engineering, v.28, 101515, 2021
8. F. Ahmed, M. A. Abir, M. Fuad, F. Akter, P.K. Bhowmik,S.B. Alam, D. Kumar, ‘’Numerical investigation of the thermo‐ hydraulic performance of water‐based nanofluids in a dimpled channel flow using Al2O3, CuO, and hybrid Al2O3–CuO as nanoparticles’’ Heat Transfer ,1-26, 2021.

9. R. S. Vajjha, D. K. Das and D. P. Kulkarni, “Development of new correlations for convective heat transfer and friction factor in turbulent regime for nanofluids’’, International Journal of Heat and Mass Transfer, v.53, pp.4607–4618, 2010.
10. I. Behroyan, P. Ganesan, S. He, S. Sivasankaran, “Turbulent forced convection of Cu–water nanofluid: CFD model comparison’’, International Communications in Heat and Mass Transfer’, v.67, pp.163-172, 2015.
11. E. Aminian, H. Moghadasi, H. Saffari, “Magnetic feld efects on forced convection fow of a hybrid nanofluid in a cylinder flled with porous media: a numerical study’’, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, v.141, pp. 2019-2031, 2020.
12. Uysal C., “Dikdörtgen Kesitli Mikrokanallarda ZnO-Etilen Glikol Nanoakışkanının Akış ve Isı Trasnferi Karakteristiklerinin Sayısal Olarak Modellenmesi’’, Doktora Tezi, 2016, Karabük Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü.