Thermal interface resistance between liquid water and face centered cubic transitional metals: Non-equilibrium molecular dynamics simulation
Su ve yüzey merkezli kübik geçiş metalleri arasındaki termal arayüzey direnci: Dengesiz moleküler dinamik simülasyonu
- Tez No: 995683
- Danışmanlar: PROF. DR. YILDIZ BAYAZITOGLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Enerji, Mechanical Engineering, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Wıllıam Marsh Rıce Unıversıty
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Nano cihazlardaki enerji sistemleri teknolojideki yeni gelişmeleri ve değişimleri sürekli olarak talep etmektedir. Termal arayüzey direnci ise bu gelişmelerden biri ve nano boyutlardaki termal taşınım (transport) teknolojilerinde ise anlaşılması zor ve önemlidir. Çok sayıda yöntem ile yapılan araştırmalara rağmen nano boyutlu uygulamalarda, sıvı ve katıların arasındaki termal taşınım ölçümü zordur. Bunun için en uygun metotlardan biri ise Moleküler Dinamik (MD) simülasyonudur. Termal sistemler için ise dengesiz MD metotu ayrıca verimli ve kesin sonuçlar verebilir. Dengesiz MD metodunu kullanarak Arayüzey Termal Direncini (ATD) su ve yüzey merkezli kübik geçiş metallerinin arasında incelendi. Öncelikle, ATD (ya da Kapitza direnci) ölçümünü detaylı bir şekilde su ile doldurulmuş altın (Au) ve gümüş (Ag) nano kanallarda yaptık. Sonuçlarımızı mevcut literatür ile karşılaştırdık ve problemin tasarım aşamasında dikkate değer farklılıklar olsa da sonuçlarımız da iyi bir uyum olduğunu gözlemledik. Tezin ilk kısmında, sıcaklık ve ısı akışı ilişkisini mevcut Au ve Ag nano kanalları için dolaylı olarak ortaya çıkardık. Ayrıca, ATD'nin sıcaklık ve ısı akışı arasındaki nano boyutlardaki ilişkiyi doğrudan anlamak için sıcaklık profillerinin sayısını artırdık. Daha sonra dengesiz MD simülasyonunu suyun iki tarafına platin (Pt), kurşun (Pb), paladyum (Pd), ve nikel (Ni) metalleri yerleştirilerek nano kanal sistemleri için uyguladık. Suyun ortalama sıcaklığı katı duvar yüzeyleri arasında sabit olacak şekilde 300 K'den 600 K'ye kadar 50 K aralıklar ile artırdık. ATD'nin doğrusal bir fonksiyonunu oluşturmak için adi en küçük kareler regresyonu uygulayarak sıcaklık ve ısı akışı arasında doğrudan bir ATD ilişkisi sonucuna ortaya çıkardık. Bu dört metal için oluşturduğumuz ATD fonksiyonunun yeni parametreleriyle, nano boyutlardaki tek boyutlu ısı iletiminin uygulanması için yeni bir bakış açısına sahip olduk. Son olarak, metaller üzerinde suyun temas açılarını inceledik ve literatür ile farklılıklarını analiz ettik. Bu bize gelecekteki çalışmalarda ıslanma kapasitesini değerlendirmek için farklı bir bakış açısı sağlayacaktır. Genel olarak, su ve bu metaller arasındaki termal arayüzleri anlamak, özellikle termal tasarım uygulamalarında daha enerji verimli nano cihazlar tasarlamamızı sağlayacaktır.
Özet (Çeviri)
Energy systems in nano devices constantly demand new developments and shifts in the technology. Thermal interface resistance is one of those developments that is significant in understanding and tackling thermal transport technologies in nano scales. The thermal transport at the interfaces of solids and liquids has been a measurement challenge for various nano scale applications even though it is widely investigated with numerous techniques. One of the most convenient methods is to conduct Molecular Dynamics (MD) simulation. Non-equilibrium MD method also provides efficient and accurate results for the thermal systems. Therefore, we have applied a non-equilibrium MD method to investigate the Interfacial Thermal Resistance (ITR) between liquid water and solid Face Centered Cubic (FCC) transient metals. At first, we have comprehensively evaluated ITR (or Kapitza resistance) of gold (Au) and silver (Ag) metal nano channels filled with liquid water. We have compared our results and observed a good agreement with the available literature albeit the notable differences at the beginning of the problem. In this first section of the thesis, we have revealed the indirect relation of temperature and heat flux for the current Au and Ag nano channels. Furthermore, we increased the number of temperature profiles to understand the direct relation of ITR between temperature and heat flux in nanoscales. We subsequently carried out non-equilibrium MD simulation for platinum (Pt), lead (Pb), palladium (Pd), and nickel (Ni) metals placed on each side of water creating a nano channel system. The mean temperature of water is kept constant among the solid walls during the simulations and it has changed from 300 K to 600 K with an increment of 50 K. We finally concluded a direct relation of ITR between temperature and heat flux by applying ordinary least square regression to create a linear function of ITR. With the new parameters of ITR function for these four metals, we have a novel perspective for the implementation of one-dimensional heat conduction in nano scales. Lastly, we have observed the contact angles of water on transient FCC metals and analyzed the differences with the literature. This gives us another different perspective to evaluate the wettability for future studies. Overall, understanding thermal interfaces between water and these metals enable us to design more energy efficient nano devices especially in thermal design applications.
Benzer Tezler
- Silisyumun yönlü aşındırılması ve mikroalgılayıcılar
Anisotropic etching of silicon and microsensors
F.ALİ ALDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
1991
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. DURAN LEBLEBİCİ
- Molecular dynamics studies on heat transfer control between water and silica using nanoscale surface patterns
Su ve silika arasındaki ısı transferinin nano-ölçek yüzey yapıları kullanarak kontrolü üzerine moleküler dinamik çalışmaları
CELAL CAN ÖZEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT BARIŞIK
- Investigation of thermal and mechanical behavior of carbon nanotube reinforced ultra-high molecular weight polyethylene composites under cryogenic conditions
Karbon nanotüp takviyeli ultra yüksek molekül ağırlıklı polietilen kompozitlerin termal ve mekanik davranışlarının kriyojenik koşullar altında incelenmesi
GÜLŞAH BAHÇELİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HÜLYA CEBECİ
- Zeolit-su ikilisini kullanan adsorpsiyon ısı pompalarında ısıve kütle iletimini geliştirmek için yeni bir yaklaşım
A new approach to enhance heat and mass transfer in adsorption heat pumps
MELKON TATLIER
Yüksek Lisans
Türkçe
1996
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. AYŞE ERDEM ŞENATALAR
- Molecular dynamics studies on interface heat transfer control using electric field
Elektrik alan kullanarak arayüzey ısı transferi kontrolü üzerine moleküler dinamik çalışmaları
ONUR YENİGÜN
Doktora
İngilizce
2021
Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT BARIŞIK