Numerical investigation of micro- and nanoparticle behaviour in fluid flow and heat transfer
Mikro ve nanotaneciklerin ısı geçişi ve akışkan akışı içindeki davranışının sayısal olarak incelenmesi
- Tez No: 981994
- Danışmanlar: PROF. DR. AHMET CİHAT BAYTAŞ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Biyomühendislik, Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Engineering Sciences, Bioengineering, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Akışkan akışlarında mikro ve nanotanecik davranışının incelenmesi, mühendislik, çevresel ve biyomedikal uygulamalardaki geniş kapsamlı yansımaları nedeniyle giderek daha fazla önem kazanmıştır. Enerji sistemlerinde ve elektronik soğutma aygıtlarında ısı transferinin artırılmasından, iç mekan hava kalitesinin denetlenmesine ve sağlık tesislerinde enfeksiyon risklerinin en aza indirilmesine kadar uzanan geniş bir yelpazede, tanecik taşınımını ve birikimini doğru biçimde öngörebilme yetisi kritik bir araştırma önceliği hâline gelmiştir. Bu tür sistemlerde tanecik hareketi, ana akışkanın baskın atalet ve kaldırma kuvvetlerinin yanı sıra Brownian hareketi, termoforez ve tanecik–akışkan ısı alışverişi gibi mikroskobik süreçlerden de etkilenmektedir. Söz konusu eşleşik mekanizmalar, ısıl performansı, entropi üretimini ve sistemdeki tersinmezlikleri güçlü bir biçimde belirlemekte; bu da çözümlemelerinde kapsamlı ve disiplinlerarası bir yaklaşımın gerekliliğini vurgulamaktadır. Belirtilen zorlukları hedefleyerek, akışkan akışının ve tanecik etkileşimlerinin dinamikleri yüksek isabetle çözen bir sayısal modelleme yapısı geliştirilmiş ve uygulanmıştır. Bu amaçla, tek yönlü bağlaşımlı bir Eulerian–Lagrangian yöntem kullanılmakta; akış alanı sonlu hacimler yöntemi ve SIMPLE algoritmasıyla çözümlenmekte, tanecik yörüngeleri ise hareket denklemlerinin açık integrasyonu yoluyla elde edilmektedir. Söz konusu yaklaşım, tanecik boyutu, dış kuvvetler ve ısıl sınır koşullarının etkileşime girerek akış yapısını, ısı transferi etkinliğini ve tanecik hareketini nasıl şekillendirdiğini ayrıntılı biçimde inceleme olanağı sunar. Buna ek olarak, entropi üretimi analizinin dahil edilmesi, askıdaki taneciklerin yol açtığı tersinmezlik kaynaklarına ilişkin İkinci Yasa temelli bir bakış açısı sağlayarak geleneksel enerji taşınımı çalışmalarının ötesine geçer. Bu metodoloji; havalandırmalı bir boşlukta bileşik taşınım, kapalı kare kap içinde hibrit nanoakışkan davranışı ve tek yataklı bir yoğun bakım ünitesinde havayla taşınan taneciklerin hareketi gibi farklı senaryolara uygulanarak, temel kuram ile pratik uygulamalar arasında köprü kurmakta ve daha güvenli, verimli ve sürdürülebilir ısıl sistemler için öngörü odaklı araçların oluşturulmasını hedeflemektedir. Birinci çalışma, mikrometre ile submikrometre ölçekleri arasında değişen askıdaki katı taneciklerin bulunduğu havalandırmalı kare bir boşlukta bileşik taşınımlı hava akışına odaklanmaktadır. Analiz, tanecik davranışının atalet ve kaldırma kuvvetlerinin birleşik etkisinin yanı sıra, özellikle küçük taneciklerde belirginleşen termoforez ve Brownian hareketi gibi mikroskobik etmenlerce belirlendiğini ortaya koyar. Taşınım rejimine bağlı olarak tanecikler askıda kalabilir, duvarlarda birikebilir ya da çıkıştan etkin biçimde uzaklaştırılabilir. Entropi üretimi analizi dahil edildiğinde, askıdaki taneciklerin ısı transferi ve akışkan sürtünmesiyle ilişkili ek tersinmezlikler getirdiği gösterilmektedir. Önemli olarak, belirli çalışma koşullarının toplam entropi üretimini en aza indirebildiği saptanmış; bu da havalandırılan ortamların ısıl ve çevresel performansını iyileştirmeye yönelik stratejilere işaret etmektedir. Elde edilen bulgular, tanecik yüklü bileşik taşınıma ilişkin temel bir kavrayış sunarken, havalandırma ve ısıl sistemlerin tasarımında pratik iyileştirmeler için de zemin hazırlamaktadır. İkinci çalışma, su içinde askıda bulunan çok duvarlı karbon nanotüpler (MWCNT) ile demir oksit (Fe_3O_4) nanotaneciklerinden oluşan hibrit bir nanoakışkanın sıcaklık farkı uygulanmış kare bir kapta doğal taşınımını ele alarak sayısal yaklaşımı genişletmektedir. Farklı nanotanecikleri birleştiren hibrit nanoakışkanların tek bileşenli süspansiyonlara kıyasla üstün ısıl performans sergilediği bilinmekte olup, bu çalışma hem akış hem de tanecik birikimi davranışlarını ayrıntılı biçimde incelemektedir. Sonuçlar, nanotanecik hacimsel oranı ile kaldırma kuvveti etkili akış yapılarının ısı transferi verimini belirgin biçimde etkilediğini; orta düzey derişimlerin performansı artırırken, aşırı derişimlerin akış devinimini değiştirip birikim düzenlerini farklılaştırdığını göstermektedir. Çalışma ayrıca, tanecik boyutu ve mikroskobik kuvvetlerin tanecik hareketine etkisini ortaya koymakta; küçük taneciklerin termoforezden daha güçlü biçimde etkilenirken, daha büyük taneciklerin farklı birikim özellikleri sergilediğini göstermektedir. Nanotanecik hareketini ısıl ve akış davranışlarıyla ilişkilendirerek, çalışma hibrit nanoakışkan uygulamalarına dair anlayışı ilerletmekte ve enerji ile endüstriyel sistemlerde bunların optimizasyonu için değerli yönlendirmeler sunmaktadır. Üçüncü çalışma, geliştirilen hesaplamalı yöntemi gerçek bir biyomedikal ortama uygulayarak tek yataklı bir yoğun bakım ünitesinde havayla taşınan tanecik davranışını analiz etmektedir. Birden çok kaynaktan salınan virüs yüklü tanecikler; giriş açısı, saptırıcı kullanımı, hasta yatağı ve sağlık çalışanının konumu ile akış giriş hızındaki değişimleri içeren farklı akış ve tasarım konfigürasyonları altında izlenmiştir. Bulgular, uygun biçimde tasarlanmış saptırıcıların askıdaki tanecik derişimini önemli ölçüde azalttığını ve uzaklaştırma etkinliğini artırdığını göstermektedir. Ayrıca, hasta yatağı ve sağlık çalışanının çıkış menfezlerine daha yakın konumlandırılması, havalandırmanın genel etkinliğini yükselterek enfeksiyon risklerini düşürmektedir. Tanecik dağılımının uzamsal ve zamansal analizi, yerel düşük derişim bölgelerinin varlığını ortaya koymuş; bu da hastalık yayılımının denetiminde havalandırma tasarımının kritik rolünü vurgulamıştır. Bu çalışma, klinik ortamlarda hedeflenmiş akış düzenlemeleri ve tasarım değişikliklerinin hasta ve sağlık çalışanlarının korunmasına nasıl hizmet edebileceğini göstererek sağlık mühendisliğine özgün bir katkı sunmaktadır. Birlikte ele alındığında, bu üç çalışma, ısı transferi, entropi üretimi ve tanecik davranışının taşınımla yönlendirilen akışlardaki eşleşik dinamiklerini anlamaya yönelik tutarlı bir çerçeve ortaya koymaktadır. İlk çalışma, bileşik taşınımda tanecik hareketi ve tersinmezliği irdeleyerek kuramsal ve sayısal temeli atar. İkincisi, bu bakışı hibrit nanoakışkanlara genişleterek hem ısı transferinin artırılmasına yönelik potansiyeli hem de tanecik hareketinin getirdiği karmaşıklıkları sergiler. Üçüncüsü, bu içgörüleri biyomedikal bağlama uyarlayarak sağlık tesislerinde havalandırma tasarımı için pratik yönlendirmeler sunar. Bu tezin özgünlüğü, çok fazlı tanecik dinamiklerini İkinci Yasa termodinamiği ve uygulama odaklı perspektiflerle bütünleştirmesinde yatmakta ve böylece temel araştırma ile gerçek dünya mühendislik sorunları arasındaki boşluğu etkin biçimde kapatmaktadır. Gelişmiş hesaplamalı akışkanlar dinamiğinden yararlanarak çalışma, ısıl ve çevresel sistemlerin verimlilik, güvenlik ve sürdürülebilirlik boyutlarında optimizasyonuna rehberlik eden öngörücü yöntemler ve tasarım stratejileri geliştirmektedir. Bu sayede tez, tanecik hareketlerinin ve davranışlarının denetimi, tersinmezliklerin azaltılması ve sistem performansının iyileştirilmesi yoluyla hem mühendislik hem de biyomedikal bağlamlardaki güncel sorunların ele alınabileceğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
The study of micro- and nanoparticle behavior in fluid flows has become increasingly significant due to its wide-ranging implications in engineering, environmental, and biomedical applications. From enhancing heat transfer in energy systems and electronic cooling devices to controlling indoor air quality and minimizing infection risks in healthcare facilities, the ability to accurately predict particle transport and deposition has become a critical research priority. In such systems, particle motion is influenced not only by the dominant inertial and buoyancy forces of the host fluid but also by microscale phenomena such as Brownian motion, thermophoresis, and particle–fluid heat exchange. These coupled mechanisms strongly influence thermal performance, entropy generation, and system irreversibility, highlighting the necessity of a comprehensive and multidisciplinary approach to their analysis. To address these challenges, this thesis develops and applies a numerical framework capable of capturing both fluid and particle dynamics with high accuracy. A one-way coupled Eulerian–Lagrangian methodology is employed, by means of which the fluid field is resolved through the finite volume method with the SIMPLE algorithm, and particle trajectories are explicitly integrated based on the governing equations of motion. This approach allows for a detailed examination of how particle size, external forces, and thermal boundary conditions interact to shape flow structures, heat transfer efficiency, and particle migration. Furthermore, the inclusion of entropy generation analysis provides insight into the sources of irreversibility introduced by suspended particles, offering a second-law perspective beyond conventional energy transport studies. By applying this methodology to different scenarios—mixed convection in a vented cavity, hybrid nanofluid behavior in a square enclosure, and airborne particle transport in a single-bed intensive care unit—this thesis bridges fundamental theory with practical applications, aiming to establish predictive tools for safer, more efficient, and more sustainable thermal systems. The first study focuses on mixed convection airflow in a vented square cavity containing suspended solid particles ranging from micrometer to submicrometer scales. The analysis highlights how particle behavior is dictated by the combined influence of inertial and buoyancy forces, as well as the microscale effects of thermophoresis and Brownian motion. Depending on the convection regime, particles either remain suspended, deposit on enclosure walls, or are effectively removed through the outlet. By incorporating entropy generation analysis, the study demonstrates that suspended particles introduce additional irreversibilities associated with heat transfer and fluid friction. Importantly, it is shown that certain operating regimes minimize total entropy generation, pointing to strategies for improving the thermal and environmental performance of ventilated enclosures. These findings provide both a fundamental understanding of particle-laden convection and a basis for practical design improvements in ventilation and thermal systems. The second study extends the numerical approach to natural convection of a hybrid nanofluid composed of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and iron oxide (Fe_3O_4) nanoparticles suspended in water within a differentially heated square cavity. Hybrid nanofluids, by combining different nanoparticles, are known to provide superior thermal performance compared to single-particle suspensions, and this work explores both their flow and particle deposition behaviors. The results show that nanoparticle volume fraction and buoyancy-driven flow structures significantly impact heat transfer efficiency, with moderate concentrations leading to enhanced performance while excessively high concentrations modify flow circulation and alter deposition patterns. The study also reveals how particle size and microscale forces influence migration, with smaller particles being more strongly affected by thermophoresis, while larger particles exhibit different deposition characteristics. By linking nanoparticle transport to thermal and flow behavior, this work advances the understanding of hybrid nanofluid applications and provides valuable guidance for optimizing their use in energy and industrial systems. The third study applies the developed computational methodology to a real-world biomedical environment by analyzing airborne particle transport in a single-bed intensive care unit (ICU). Virus-laden particles emitted from multiple sources were tracked under different airflow and design configurations, including variations in inlet angle, the use of deflectors, placement of the patient bed and healthcare worker, and airflow velocity. The results indicate that appropriately designed deflectors substantially reduce suspended particle concentrations and enhance removal efficiency. Moreover, positioning the patient bed and healthcare worker closer to outlet vents improves the overall effectiveness of ventilation, thereby lowering infection risks. The spatial and temporal analysis of particle distribution revealed the existence of localized low-concentration zones, highlighting the critical role of ventilation design in controlling disease transmission. This study provides a novel contribution to healthcare engineering by demonstrating how targeted airflow strategies and design modifications can safeguard patients and healthcare workers in clinical settings. Taken together, these three studies establish a coherent framework for understanding the coupled dynamics of heat transfer, entropy generation, and particle transport in convection-driven flows. The first study lays the theoretical and numerical foundation by analyzing particle transport and irreversibility in mixed convection. The second expands this perspective to hybrid nanofluids, demonstrating both their potential for enhancing heat transfer and the complexities introduced by particle migration. The third applies these insights into a biomedical context, offering practical guidance for ventilation design in healthcare facilities. The originality of this thesis lies in the integration of multiphase particle dynamics with second-law thermodynamics and application-oriented perspectives, effectively bridging the gap between fundamental research and real-world engineering challenges. By leveraging advanced computational fluid dynamics, the work develops predictive methodologies and design strategies that guide the optimization of thermal and environmental systems while enhancing efficiency, safety, and sustainability. In doing so, this thesis demonstrates how controlling particle transport, reducing irreversibility, and improving system performance can address pressing challenges in both engineering and biomedical contexts.
Benzer Tezler
- Manyetohidrodinamik (MHD) etkisinde bir mikrokanal içerisindeki hibrit nanoakışkanın akış ve ısıl karakteristiklerinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of flow and thermal characteristics of a hybrid nanofluid in a microchannel under manyetohydrodynamic (MHD) effect
HAKAN TÜRKER
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ELİF ÖĞÜT
- Devrelerin büyük işaret cevaplarının bilgisayar yardımıyla bulunması
Başlık çevirisi yok
NÜKHET GÜNEYİ
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiUludağ ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERGÜR TÜTÜNCÜOĞLU
- Diesel motorları yakıt püskürtme sistemlerinin dinamik simülasyonu
Başlık çevirisi yok
İRFAN KARAGÖZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Makine MühendisliğiUludağ ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OĞUZ BORAT
- Akaryakıtla çalışan endüstriyel tav fırınlarında yanma, sıcaklık ve basıncın optimum kontrolu
Optimum control of combustion temperature and pressure in industrial tempering furnaces working with fuel-oil
MEHMET EROĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YÜCEL ERCAN
- İki katlı pamuk ipliklerinden dokunan kumaşlarda örgüye bağlı olarak maksimum atkı sıklığının değişimi üzerinde bir araştırma
Başlık çevirisi yok
MELTEM ASLI NARTER
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiEge ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜNGÖR BAŞER