Investigation of flow characteristics and heat transfer performance in heat exchangers with magnetic field effect
Manyetik alan etkisiyle ısı eşanjörlerinde akış karakteristiklerinin ve ısı transferi performansının incelenmesi
- Tez No: 802869
- Danışmanlar: PROF. DR. BEŞİR ŞAHİN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Çukurova Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Enerji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Tezin ilk bölümünde, akım taşıyan tellerden geçen uniform olmayan bir manyetik alana maruz kalan, dikdörtgensel bir kapalı kanal içerisindeki silindirik bir cismin çevresinde akan bir ferroakışkanın (su ve Fe3O4) hidrotermal ve entropi üretimi özellikleri sayısal olarak incelenmiştir. Ferropartikül hacimsel oranı, Φ uniform olmayan manyetik alan şiddeti, Ha ve Reynolds sayısı, Re gibi çeşitli parametrelerin akış karakteristikleri ve zorlanmış taşınım ile ısı transferi üzerindeki etkisi sonlu hacim tabanlı Ansys Fluent 20 kullanılarak araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar, uygulanan manyetik alanın, Re=25'te silindirin arkasında oluşan ölü akış bölgesinin uzunluğunu kısalttığını ve Re=100'de Ha≥6'dan büyük Hartmann sayıları için periyodik girdap kopmalarından oluşan daimi olmayan akışı, daimi bir akış haline getirdiğini göstermektedir. Re=50'de toplam sürükleme katsayısı, CD Ha=0'dan Ha=6'ya yükseldiğinde yaklaşık %20 artmıştır ve ardından Ha=10 değerinde %61 artmıştır. Sonuçlar, ortalama Nusselt sayısının, Nuavg Hartmann sayısı ile monoton davranış gösterdiğini ve uniform olmayan manyetik alan şiddeti arttıkça ortalama Nusselt sayısının artığını göstermektedir. Nuavg iyileştirmesi, Re=25 için Ha=10'da %11,71 ve Ha=18'de %23,26 civarındadır. Entropi üretiminin, SL maksimum değeri uniform olmayan manyetik alan uygulandığında azalmaktadır. Ayrıca artan Hartmann sayısı, Ha silindir etrafında oluşan yüksek entropi değerine sahip bölgelerin boyutunu etkilemektedir. Sayısal simulasyon sonuçlarına göre, Re=25'te ferropartikül hacimsel oranı Φ=%0'dan Φ=%4'e yükseldiğinde Nuavg'da Ha=2 ve 18 için sırasıyla %3,98 ve %3,88 lik bir artış vardır. Son olarak, optimum termal performans kriteri, ξ Re=150'de Ha=0 ve Φ=%4 değerlerinde elde edilmiştir. Tezin ikinci bölümünde, üniform manyetik alana maruz bırakılan dikdörtgen oluklu bir kanaldaki nanoakışkanın (su ve CuO) hidrotermal ve entropi üretimiz özellikleri sayısal olarak incelenmiştir. Nanopartiküllerin hacimsel oranı, Φ üniform manyetik alan şiddetini gösteren Hartmann sayısı, Ha ve Reynolds sayısı, Re farklı parametrelerin akış karakteristikleri ve zorlanmış taşınım ile ısı transferi üzerindeki etkisi, sonlu hacim tabanlı Anys Fluent 20 kullanılarak araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar, dikdörtgen oluklu kanalda üniform manyetik alan uygulamasının akım çizgilerinin dağılımı üzerinde büyük değişimlere neden olduğunu ve hem Re=250 hem Re=1250'de oluklar içerisinde oluşan resirkülasyon bölgesinin boyutunu azalttığını göstermiştir. Ancak, oluklar içerisinde oluşan resirkülasyon bölgesini baskılama başlangıcı için gerekli Hartmann sayısı, Ha Re=250'den Re=1250'ye yükselmesiyle artmıştır. Üniform manyetik alandan kaynaklı Lorentz kuvveti, kanalın merkezindeki nanoakışkan akışın hızını azaltır ve kanal boyunca sabit kütle düşünüldüğünde, akış hızı ısıtılmış duvarların yakınında önemli ölçüde artar. Bu durum sıcak duvarların yakınında hız gradyanını ve sıcaklık gradyanını arttırır ve sıcak duvarlar ile nanoakışkan akışı arasındaki ısı alışverişini iyileştirir. Nümerik simülasyon sonuçlarına göre, ortalama Nusselt sayısı, Nuavg artışı manyetik alan uygulanmama durumu ile karşılaştırıldığında, Ha=0 Re=250'de Ha=8 için 9,08%, Ha=24 için 30,42%, Re=1250'de Ha=8 için 0,087%, Ha=24 için 21,13% olarak gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
In the first part of the thesis, the hydrothermal flow and entropy generation properties of ferrofluid (water and Fe3O4) on a cylindrical body in the rectangular channel subjected to the non-uniform magnetic field going through current-carrying wires are numerically explored. The effect of various parameters, such as ferroparticle volume fraction, Φ the strength of the non-uniform magnetic field, Ha, and Reynolds number, Re on the flow characteristics, and forced convection heat transfer is investigated using finite-volume based Ansys Fluent 20. Obtained results demonstrate that the applied magnetic field shortens the length of recirculating wake downstream of the cylinder at Re=25 and makes unsteady flow with alternate vortex shedding as a time-independent steady flow for Hartmann numbers greater than, Ha≥6 at Re=100. At Re=50, the total drag coefficient, CD gets higher by almost 20% when Ha increases from Ha=0 to Ha=6 and subsequently grows by 61% at Ha=10. The findings show that the average Nusselt number, Nuavg demonstrates monotonic behavior with the Ha and it augments when the strength of the non-uniform magnetic field increases. The Nuavg improvement is in the vicinity of 11.71% at Ha=10 and 23.26% at Ha=18 for Re=25. The maximum value of entropy generation, SL reduces when the non-uniform magnetic field is applied. Moreover, increasing the Hartmann number, Ha influences the high levels region of entropy production by relatively extending this zone towards the downstream of the channel and covering more area around the cylinder. According to the outcomes of numerical simulation, there is an increase in Nuavg with 3.98% and 3.88% for Ha=2 and 18 respectively when the ferroparticle volume fraction rises from Φ=0% to Φ=4% at Re=25. Finally, the optimum thermal performance criterion, ξ is obtained at Re=150 for Ha=0 and Φ=4%. In the second part of the thesis, the hydrothermal and entropy generation characteristics of nanofluid (water and CuO) in a rectangular grooved channel exposed to a uniform magnetic field in a transverse direction are numerically investigated. The influence of different parameters, such as volume fraction of nanoparticles, Φ Hartmann number, Ha indicating the intensity of the uniform magnetic field, and Reynolds numbers, Re on the flow behaviors and forced convection heat transfer is explored using finite-volume based Ansys Fluent 20. The acquired outcomes demonstrated that applying a uniform magnetic field in a rectangular grooved channel causes major variations in the streamline patterns and reduces the extent of the recirculation zone in rectangular grooves at both Re=250 and 1250. But the required Hartmann number, Ha for the beginning of recirculation region suppression increases with the rise in Reynolds numbers, from Re=250 to Re=1250. The Lorentz force resulting from the uniform magnetic field attenuates the velocity of nanofluid flow at the center of the channel and considering constant mass flow throughout the channel, the flow velocity remarkably augments near the heated walls. This situation increases the velocity gradient and temperature gradient near the hot walls and heat exchange between hot walls and nanofluid flow improves. According to the results of the numerical simulation, the average Nusselt number, Nuavg augmentation is in the vicinity of 9.08% for Ha=8 and 30.42% for Ha=24 at Re=250 and 0.087% for Ha=8 and 21.13% for Ha=24 at Re=1250 compared to the absence of uniform magnetic field application case, Ha=0.
Benzer Tezler
- Numerical investigation on effects of plain, perforated, and dimpled twisted tape inserts in a tube to flow and heat transfer characteristics
Bir tüp içindeki düz, delikli ve çukur kanatçıklı burulmuş şeritlerin akış ve ısı transferi üzerindeki etkisinin sayısal incelenmesi
OMAR WAGEEH ABASS ABASS
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine MühendisliğiKarabük ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MUTLU TEKİR
- Gözyaşı desenli kanallarda ND+Fe3O4/Su-EG hibrit nanoakışkanın akış ve ısı transferi karakteristiklerinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of flow and heat transfer characteristics of ND+Fe3O4/Su-EG hybrid nanofluid in teardrop shaped dimpled channels
ESRA SABAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Mühendislik BilimleriKarabük ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ENGİN GEDİK
- Boru içine yerleştirilen türbülatörlerin ısı transferi ve akış karakteristiklerinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of the heat transfer and flow characteristics of turbulators placed in tubes
NURULLAH BADEMCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Makine MühendisliğiBatman ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EŞREF BAYSAL
- Farklı eğriliklere sahip borulardaki nanoakışkan akımında ısı transferi ve basınç kayıp karakteristiklerinin sayısal incelenmesi
Numerical investigation of heat transfer and pressure drop characteristics in nanofluid flow inside curved pipes having various curvatures
AYŞE SUCU
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
Makine MühendisliğiOndokuz Mayıs ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. LÜTFÜ NAMLI
- Lüleli jet çarpmalı soğutmada kanatçık açılarının ısı transferi ve akış karakteristiklerine etkisinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of the effect of fin angles on heat transfer and flow characteristics in jet impinging cooling using nozzles
ONUR CAN ARAS
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiKarabük ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KAMİL ARSLAN