Kabul Edlmş Makale/Accepted Manuscrpt Başlık: Farklı parametreler çn nanoakışkanlar ve çarpan jetlern müşterek etksnn sayısal ncelenmes Ttle: A numercal nvestgaton of combned effect of nanofluds and mpngng jets for dfferent parameter Yazarlar/Authors: Mustafa Kılıç ID: 5000215610 DOI: https://do.or./10.17341/gazmmfd.460548 Derg İsm: Gaz Ünverstes Mühendslk-Mmarlık Fakültes Dergs Journal Name: Journal of the Faculty of Engneerng and Archtecture of Gaz Unversty Gelş Tarh/Receved Date: 17.04.2018 Kabul Tarh/Accepted Date: 06.08.2018 Makale Atıf Formatı/Manuscrpt Ctaton Format: Mustafa Kılıç, A numercal nvestgaton of combned effect of nanofluds and mpngng jets for dfferent parameter, Journal of the Faculty of Engneerng and Archtecture of Gaz Unversty (2018), https://do.or./10.17341/gazmmfd.460548 Derg Blg Notu: Bu PDF belges, kabul edlmş olan makalenn dzg şlem yapılmamış haldr. Kabul edlmş makalelern kullanılablr olması amacıyla makalenn dzgsz hal nternet üzernden yayımlanmıştır. Makale, nha formunda yayımlanmadan önce yazım ve dlblgs olarak kontrol edlecek, daha sonra dzglenecek ve yenden gözden geçrlmes şlemne tab tutulacaktır. Bu dzgleme şlemler esnasında çerğ etkleyeblecek hataların bulunableceğn ve Gaz Ünverstes Mühendslk ve Mmarlık Dergs çn geçerl olan yasal sorumluluk redd beyanlarının bulunduğunu lütfen unutmayın. Journal Early Vew Note: Ths s a PDF fle of an unedted manuscrpt that has been accepted for publcaton. As a servce to our customers we are provdng ths early verson of the manuscrpt. The manuscrpt wll undergo copyedtng, typesettng, and revew of the resultng proof before t s publshed n ts fnal form. Please note that durng the producton process errors may be dscovered whch could affect the content, and all legal dsclamers that apply to the journal pertan.
Farklı parametreler çn nanoakışkanlar ve çarpan jetlern müşterek etksnn sayısal ncelenmes Mustafa Kılıç Adana Blm ve Teknoloj Ünverstes Öne Çıkanlar Çarpan Akışkan jet ve nanoakışkan kullanarak ısı transfernn yleştrlmes PHOENICS yazılımı kullanılarak sayısal model oluşturma Sayısal sonuçların lteratürdek deneysel verler le doğrulanması Özet Bu çalışmada; nanoakışkanlar çarpan akışkan jet teknğ le kullanılarak, yüksek ısı akılı br yüzeyden olan ısı transfernn yleştrlmes sayısal olarak ncelenmştr. Çalışmada, düz br bakır yüzeyden gerçekleşen ısı transfer, farklı Reynolds sayıları (Re= 12000, 14000, 16000, 18000), farklı parçacık çapları (Dp=10nm, 20nm, 40nm, 80nm), farklı hacmsel oranlar (φ= %2, %4, %6, %8) ve farklı tplerde hazırlanan nanoakışkanlar (CuO-Su, NO-Su, Cu-Su, saf Su) çn ncelenmştr. Çalışmada PHOENICS HAD programının düşük Reynolds sayılı k-ε türbülans model kullanılmıştır. Sonuç olarak; Re sayısının Re=12000-18000 değerne arttırılması sonucunda ortalama Nusselt sayısında %28 oranında br artış olduğu belrlenmştr. Nanoparçacıkların çap boyutu 80nm den 10nm ye azaltıldığında ortalama Nusselt sayısında %13,2 oranında br artış olduğu tespt edlmştr. Farklı hacmsel oranlarda hazırlanan naoakışkanlarda se; hacmsel oran %4 değernden sonra arttırılsa dah, ısı transfernde belrgn br artışa sebep olmadığı belrlenmştr. Farklı tplerde nanoakışkanlar çersnde en y ısı transfer performansı Cu-Su nanoakışkanı kullanıldığı durumda elde edlmştr. Cu-Su nanoakışkanı saf su kullanıldığı duruma göre Nuort da %8,3 oranında br yleştrme göstermştr. Ayrıca; modellemede kullanılan düşük Reynolds sayılı k-ε türbülans modelnn sıcaklık dağılımını ve akış özellklern y şeklde temsl edebldğ görülmüştür. Anahtar Kelmeler: Çarpan akışkan jet, nanoakışkan, ısı transfer, hesaplamalı akışkanlar dnamğ A numercal nvestgaton of combned effect of nanofluds and mpngng jets for dfferent parameter Hghlghts Enhancng heat transfer by usng mpngng jets and nanofluds Numercal nvestgaton usng PHOENICS software Verfcaton of numercal results usng expermental data n the lterature Abstract In ths study; enhancement of heat transfer on a hgh heat-flux surface s nvestgated numercally by usng nanofluds wth mpngng jet technque. Heat transfer from flat copper surface was studed for dfferent Reynolds number (Re=12000, 14000, 16000, 18000), dfferent partcle dameter of nanoflud (Dp=10nm, 20nm, 40nm, 80nm), dfferent volume fracton of nanoflud (φ= %2, %4, %6, %8), and dfferent types of nanofluds (CuO-water, NO-water, Cu-water, pure water). The low Reynolds number k-ε turbulence model of the PHOENICS CFD program was used n the study. As a result; ncreasng Re number from 12000 to 18000 resulted n an ncrease of 28 % on average Nusselt number. It has been obtaned that decreasng partcle dameter from 80nm to 10nm causes an ncrease of 13.20% on average Nusselt number. It has been determned that ncreasng volume raton more than 4% does not cause a sgnfcant ncrease n heat transfer. In the case of usng dfferent types of nanofluds, the best heat transfer performance s obtaned when Cu-water nanoflud s used. Usng Cu-water nanoflud showed an enhancement of 8.3% on average Nusselt number compared to pure water. Moreover; t has been shown that the low Reynolds number k-ε turbulence model can well represent the temperature dstrbuton and flow propertes. 2
Key Words: Impngng jet, nanoflud, heat transfer, computatonal flud dynamcs 1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Geleceğn en öneml teknoloj alanlarından br olarak gösterlen nanoteknolojnn temel uygulama alanlarından br de nanoakışkanlardır. Nanoakışkanlar; son yıllarda artan yen tp ısı transfer akışkanı gelştrme çalışmalarının br ürünüdür. Nanoakışkan fkr lk olarak Cho [1] tarafından ortaya atılmış ve ısı transfern yleştrdğ fade edlmştr. Bunu nanoakışkanların fzksel ve ısıl özellklernn belrlenmesne yönelk çalışmalar takp etmştr Sarkar vd. [2], Kasaean vd. [3]. Fzksel ve ısıl özellkler belrlenen nanoakışkanların lk mühendslk uygulamaları Suresh vd. [4] ve Assef vd. [5] tarafından verlmştr. Müteakben brçok mühendslk uygulamasında nanoakışkanların ısı transfern yleştrmesne yönelk ( elektronk sstemlern soğutulması Selvakumar ve Suresh [6], nükleer reaktörler Hadad vd. [7], bna ısıtma ve soğutma sstemler Devdatta vd. [8], kaynama uygulaması Ho vd. [9]) araştırmalar yapılmaya başlanmıştır. Temel akışkana nano boyutta katı parçacıklar eklenerek oluşturulan nanoakışkanlar ısı transfer uygulamalarında sıkça kullanılmaya başlanmıştır. Nanoakışkanlar 1-100nm parçacık boyutlarından oluşan katı nanoparçacıkların metal parçacıklar: Cu, Al, Fe, Au, Ag, metal olmayan parçacıklar: Al 2 O 3, CuO, Fe 3 O 4, TO 2, SC, karbonnanotüpler temel br sıvı çersne bell şartlar altında karıştırılmasıyla elde edlr. Meydana gelen bu yen karışımın ısı letm katsayısı geleneksel ısı transfer akışkanlarına göre oldukça yüksektr. Isı letm katsayısı düşük olan geleneksel ısı transfer akışkanlarını (su, glkol, yağ gb) yüksek ısı akılı uygulamalarda kullanmak hem uygulamanın boyutu hem de malyet açısından oldukça güçtür. Bu sebeple nanoakışkanların gelecekte, geleneksel ısı transfer akışkanlarının yerne kullanılableceğ öngörüleblr. Isı transfern arttırmak çn kullanılan br başka yöntem se çarpan jetlerdr. Çarpan jet, akışkanı belrl br noktada yoğunlaştırarak o bölgedek ısıl sınır tabakayı en aza ndrr. Böylece o bölgede yüksek ısı transfer sağlar. Çarpan jetler sağladıkları yüksek ısı transfer performansı le mühendslk, blm ve sanaynn brçok dalında yaygın br metot olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada yüksek ısı akılı bakır br plakanın yüzeynn, nanoakışkan ve çarpan jet etksnn br arada kullanılarak soğutulması hedeflenmştr. Lteratürde nanoakışkan ve çarpan jetlerle lgl ayrı ayrı bazı çalışmalar mevcut olmasına rağmen, k etknn brlkte kullanıldığı çalışma sayısı oldukça azdır. Bu kapsamda; lteratürdek nanoakışkanlar le lgl çalışmalar ncelendğnde; Teamah vd. [10] çalışmasında; Al 2 O 3 -su nanoakışkanının düz br plakaya çarptırılması le oluşan ısı transfern ve akış yapısını sayısal ve deneysel olarak farklı Reynolds sayılarında (Re=3000-32000) ve nanoakışkan hacm oranlarında (ϕ=%0-10) ncelemştr. Akışkan çndek nanopartüküller artırdıkça, akışkan olarak yalnız suyun kullanıldığı duruma göre yüzeyden olan ısı transfernn arttığı, ısı transfer katsayısında % 62 oranında br artış sağlanabldğ, akışkan olarak CuO kullanıldığı; ısı transfernde Al 2 O 3 nanoakışkanı kullanılma durumuna %8,9 ve TO 2 nanoakışkanı kullanılma durumuna göre %12 oranında br artış sağlanabldğ görülmüştür. Manca vd. [11] saf su ve Al 2 O 3 su nanoakışkanı kullanıldığı durumda, sınırlandırılmış çarpan jetlern sabt ısı akılı düz br plakadan olan ısı transferne etksn ncelemştr. Jet Reynolds sayısı (Re=100-400) ve boyutsuz kanal yükseklğ (H/W=4-10) çalışmada kullanılan parametrelerdr. Reynolds sayısı ve akışkan çersndek partkül konsantrasyonu arttıkça yerel ısı transfer katsayısının ve Nusselt sayısını arttığı, ortalama ısı transfer katsayısındak en yüksek artışın (%36) H/W=10 ve nanoakışkan hacm oranlarını ϕ=%5 olduğu durumda elde edldğ fade edlmştr. Lv vd. [12] Al 2 O 3 -su nanoakışkanının farklı hacmsel oranlarda (%0,5,%1,%1,5,%2) farklı çarpma açılarında (ϴ= 50º,70º,90º), ve farklı Reynolds sayılarında (Re= 5000-14000) ısı transferne etksn deneysel olarak ncelemştr. Al 2 0 3 -su nanoakışkanının H/Dh=4, %2 hacmsel oranda, Re=12000 değernde saf suya göre ısı transfernde %61,4 yleşme 3
sağlayabldğn tespt etmşlerdr. Khaleduzzaman vd. [13] yaptıkları deneysel çalışmada, elektronk devre elemanlarının soğutulması sürecnde farklı hacmsel oranlarda (%0,1-%0,25) hazırladıkları Al 2 O 3 -Su nanoakışkanın enerj ve ekserj analzn yapmıştır. Sonuç olarak; nanoparçacık hacmsel oranı arttıkça; nanoakışkan ısı letm katsayısının, vzkostesnn, yoğunluğunun, enerj vermnn ve ekserjsnn arttığı, özgül ısısının se azaldığı tespt edlmştr. Modak vd. [14] ısıtılmış paslanmaz çelk br folyonun ısı transfer özellklern daresel çarpan jet ve Al 2 O 3 -Su nanoakışkanı kullanarak deneysel olarak ncelemşlerdr. Deneyler farklı Reynolds sayıları (Re=5000, 12000), farklı hacmsel oranlar (ϕ = 0.15%, 0.6%) ve farklı jet-plaka mesafes (l/d = 6, 12) çn yapılmıştır. Sonuç olarak; Al 2 O 3 -Su nanoakışkanının saf suya göre daha y performans gösterdğ görülmüştür. Wang vd. [15] çalışmasında; Cu-su nanoakışkanı çn farklı Re sayılarında (Re= 2000-12000) tek fazlı ve çok fazlı nanoakışkan davranışını sayısal olarak ncelemştr. Temel akışkana nanoparcacık eklenmesnn, ısı letm katsayısını arttırmasının ötesnde akışkan karakterstğn öneml ölçüde etkledğ, bu sebeple tek fazlı akış çn kullanılan türbülans modellernn (k-ε, k-ω, RNG vb.) akışı yeter kadar modelleyemeyeceğ, bunun yerne SST k-ɷ türbülans model, Euleran-Euleran türbülans model gb çok fazlı modellern terch edlmes gerektğ fade edlmştr. Sun vd. [16] CuO nanoakışkanı kullanılan tek br çarpan jetn ısı transferne etksn ncelemştr. Nanoakışkan kullanıldığında yalnızca su kullanılması durumuna göre ısı transfernde öneml br artış sağlanabldğ, basınç düşüşünde öneml br değşm olmadığı, daresel nozul kullanıldığında, kare şekll nozula göre daha yüksek ısı transfer katsayısı elde edldğ, jet açısı 90º olduğunda en yüksek ısı transfernn elde edldğ belrlenmştr. Umer vd. [17] çalışmasında; CuO-Su nanoakışkanı kullanarak lamner akış şartlarında sabt ısı akılı br yüzeyden olan ısı transfern faklı hacmsel oranlarda ncelemşlerdr. Sonuç olarak parçacık hacm oranı arttıkça ve Reynolds sayısı arttıkça ısı transfer katsayısının da arttığı, ısı transfer katsayısındak en yüksek artışın (%61) parçacık hacm oranı %4 ve Reynolds sayısı Re=605 olduğu durumda gerçekleştğ tespt edlmştr. Lv vd. [18] SO 2 -su nanoakışkanının farklı hacmsel oranda (%1,%2, %3), farklı Re sayılarında (Re= 8000-13000), farklı jet plaka mesafelernde (H/D h = 2,3,4,5) ısı transferne olan etksn deneysel olarak ncelemştr. Sonuç olarak; SO 2 -su nanoakışkanının %3 hacmsel oranda, Re=13000 değernde saf suya göre ısı transfer katsayısının %40 arttırılableceğ tespt edlmştr. Sngh vd. [19] TO 2 -su nanoakışkanının lamner akış şartlarında kaynama le ısı transferne etksn farklı hacmsel oranlarda (%0,1,%0,5,%1) ncelemştr. Sonuç olarak; hacmsel oran ve Re sayısı artıkça kaynama krtk ısı akısının da (hacmsel oran %0,5 artışında kaynama krtk ısı akısı %40 artmaktadır) arttığı tespt edlmştr. Farklı tpte nanoakışkanların ısıl performanslarının karşılaştırıldığı çalışmalar kapsamında; Klc ve Ozcan [20] yüksek ısı akılı br yüzeyden olan ısı transfern farklı nanoakışkanlar ve çoklu jetler çn ncelemşlerdr. Re sayısındak artışın ve parçacık çapındak azalmanın ısı transfernde artışa sebep olduğunu, Cu-su nanoakışkanı kullanma durumunda, Al 2 O 3 -su nanoakışkanına göre %9,3 ve TO-su nanoakışkanına göre %8,4 artış sağlanabldğn tespt etmşlerdr. Nayak vd. [21] Al 2 O 3 ve TO 2 nanoakışkanlarının ısıl performanslarını karşılaştırmış ve farklı hacmsel oranlarda (%0,01, %0,03, %0,05, %0,07) k adet çarpan nanoakışkan jetn ısı transferne etksn deneysel olarak ncelemştr. Sonuç olarak; bu k farklı nanoakışkanın benzer performans gösterdğ, ısı transferndek artışın ısı letm katsayısının artışından çok nanaoparçacıkların akış çersndek davranışından kaynaklandığı, bu sebeple Al 2 O 3 -su nanoakışkanının daha homojen br dağılım sağlayabldğ çn TO 2 -su nanoakışkanından daha y br performans gösterdğ tespt edlmştr. Alaw vd. [22] çalışmalarında farklı hacmsel oranlarda metal okstlerle (Al 2 O 3, CuO, SO 2 and ZnO) oluşturulan nanoakışkanların ısı letkenlğn ve 4
vskoztesn ncelemşlerdr. Sonuç olarak; metal okstlerle oluşturulan nanoakışkanların ısı letkenlğnn sıcaklık ve hacmsel oran arttıkça arttığının fakat nanoparçacık boyutu yoğunlaştıkça azaldığı belrtlmştr. Çarpan akışkan jetlere lşkn lteratürdek çalışmalar ncelendğnde, deneysel uygulamalar kapsamında; Yan vd. [23] çalışmasında; kanal akışı le jet akışının brlkte uygulandığı durumda ısı transfer ncelenmştr. Çalışma deneysel br çalışmadır. Kanal akışında (Re=10000-40000) aralığında, jet akışında (Re =5000-20000) aralığındadır. Sonuç olarak; hat şeklndek aksal kanatçıkların uygulanması durumunda kanatçıkların olmama durumuna göre %50-%90lık br artış olduğu, çarpmalı jetn uygulanmasının kanal akışına göre ısı transfern artırdığı, genel olarak geçrgen köpük kullanılmasının ısı transfern artırdığı, bu durumun Re sayısı arttıkça daha da arttığı, geçrgen köpük kullanıldığında kanatçıkların kullanılma durumuna göre daha fazla basınç kaybı olduğu ancak ısı transfern artırdığı tespt edlmştr. Klc vd. [24] sabt ısı akılı düz br plakanın çarpan akışkan hava jet yardımı le soğutulmasını farklı Reynolds sayıları ve boyutsuz kanal yükseklkler çn ncelemştr. Ortalama Nusselt sayısının Re=4000-10000 aralığında % 49,5, H/D h =4 10 aralığında se, %17,9 oranında arttığı tespt edlmştr. McGunn vd. [25] çalışmasında; k ayrı çıkış geometrsne sahp (düz çıkışlı ve şekl verdrlmş) nozuldan oluşturulan akışın sağladığı ısı transfer ncelenmştr. Çalışma sayısal ve deneysel br çalışmadır. Çalışma sonucunda; şekl verdrlmş nozulun düz nozula göre daha etkn br ısı transfer sağladığı gözlenmştr. Yüzeydek ısı transfernn yalnızca oluşan türbülanslara bağlı olmadığı aynı zamanda yüzeye gelen akış geometrsne de bağlı olduğu tespt edlmştr. Ln vd. [26] çalışmalarında, ısı transfernde sınırlandırılmış akışkan jetlern etks ncelemşlerdr. Çalışma deneysel br çalışmadır. Çalışmadak parametre olarak farklı Reynolds sayıları ve farklı jet-hedef plaka mesafes kullanılmıştır. Sonuç olarak jet-hedef plaka mesafesndek değşmn ısı transferne etksnn çok öneml olmadığı, ancak Reynolds sayısındak artışın ısı transfern öneml ölçüde arttırdığı görülmüştür. Çarpan akışkan jetlern sayısal uygulamaları kapsamında; Isman vd. [27] çalışmasında; sabt yüzey ısı akısına sahp sınırlandırılmamış br plakanın br tek çarpmalı jet le soğutulması ncelenmştr. Çalışma sayısal br çalışmadır. Akışkanın türbülanslı, k boyutlu ve sürekl halde olduğu kabulü yapılmıştır. RNG ve standart K-ε modelnn dğer modellere göre daha çok yakınsadığı fade edlmştr. Re sayısı 4000-12000 ve nozul plaka mesafesnn-nozul çapına oranı 4-10 aralığında alınmıştır. Sonuç olarak; Re sayısı artırılarak ya da nozul-plaka mesafes azaltılarak ısı transfernn artırılableceğ tespt edlmştr. Dagtekn I. ve Oztop H. [28] çalışmalarında lamner akış rejmnde sotermal duvarlar çndek kl jet akışı sayısal olarak ncelemşlerdr. Jet Reynolds sayılarının, jetlern brbrne olan mesafesnn ve jet akışlarının duvar üzerndek konumunun ısı transferne olan etksn ncelemşlerdr. Sonuç olarak; ortalama Nusselt sayısı, Reynolds sayısının artışı le doğrusal olarak artmıştır. Kanal çnde k jetn brbrne olan etks sonucunda çarpma bölgesnde çok katmanlı br akış meydana gelmştr. İk jet brbrne yaklaştıkça knc jetn etksnn azaldığı tek br jet gb davranıldığı gözlemlenmştr. Kılıç ve Başkaya [29] çalışmalarında sabt ısı akılı yüzeyde ısı transfernn, çarpan akışkan jet ve farklı geometrde akış yönlendrclern brlkte kullanılarak yleştrlmesn sayısal olarak ncelemşlerdr. Çalışmada, akış yönlendrc kullanılarak ve kullanılmayarak kanal çndek akış ve ısı transfer farklı Reynolds sayıları ve kanal yükseklğ jet hdrolk çapı (H/D h ) oranları çn ncelenmştr. Sonuç olarak; çarpan akışkan jet le farklı geometrde akış yönlendrclern brlkte kullanılarak; ısı transfernde akış yönlendrc kullanılmaması durumuna göre %28'e kadar br artış sağlanabldğ görülmüştür. Re sayısının artması le ısı transfernn artış gösterdğ tespt edlmştr. Lteratürdek mevcut çalışmalarda nanoakışkanların malzeme karakterstğnn tespt edlmesn ve çarpan jetlern ısı transferne etksn ele alan ayrı ayrı bazı çalışmalar bulunmaktadır. Bu çalışmada; mevcut lteratürdek 5
çalışmalardan farklı olarak, nanoakışkanlar çarpan jet teknğ le kullanılmış ve bu durumda oluşan müşterek etknn ısı transferne etksnn ncelenmes amaçlanmıştır. Bu çalışmadak temel amaç; son derece karmaşık olan nanoparçacıkların temel akışkan çndek davranışlarının belrlenmes, nanoakışkanların çarpan jet teknğnde kullanılması le oluşan yoğun türbülans etklernn ortaya konması ve bunun ısı transferne olan etksnn modellenmes ve bu modeln lteratürde yer alan deneysel sonuçlarla doğrulanmasıdır. Bu maksatla; farklı parametrelern (farklı Reynolds sayıları, farklı parçacık çapları, farklı hacm oranları ve farklı tpte nanoakışkanlar) ısı transferne etks sayısal olarak ncelenmş ve sayısal modeln lteratürde yer alan deneysel sonuçlarla doğrulanması sağlanmıştır. 2. SAYISAL MODEL VE MATEMATİKSEL FORMÜLASYON (NUMERICAL MODEL AND MATHEMATICAL FORMULATION) Bu çalışmada, yüksek ısı akısı bulunan br yüzeyden olan ısı transfernn, nanoakışkanların çarpan akışkan jet teknğ le kullanılarak, yleştrlmes sayısal olarak ncelenmştr. Sayısal olarak ele alınan problem kartezyen koordnatlarda zamandan bağımsız olarak çözülmüştür. Denklemlern formülasyonunda elptk denklem tp ve kaydırılmış hücre yapısı kullanılmıştır. Matematksel olarak kararlı haldek vskoz akışlar elptk yapıya sahptr. Bu da akışın br noktasındak değerlern çevresndek noktalardan etklendğ manasına gelmektedr. Ayrıklaştırma şlem algortması olarak hbrd şeması kullanılmıştır. Bu şema upwnd şemasının kararlılığı le merkez farklar şemasının hassaslığını brleştren br şemadır. Basınç çn doğrudan br denklem bulunmaması sebebyle SIMPLE algortmasının br varyasyonu olan SIMPLEST (SIMPLEShorTened) algortması le kullanılmıştır. Hedef plaka boyutları 90x15x2 mm (boy x genşlk x yükseklk) olarak modellenmştr. Bu boyutlar; protez br eln üzernde ısı akısı olan şaret parmağının nanoakışkanlar kullanılarak soğutulmasını modellemek çn seçlmştr. x-y düzlem üzerne yerleştrlmş plakanın yüzeyndek sabt ısı akısı 222000 W/m 2 dr. Nozul hdrolk çapı D h =3,5 mm dr. Bu sayısal analz çn PHOENICS HAD programının düşük Re sayılı k-ε türbulans model kullanılmıştır. Bu model; sınırlandırılmış çarpan jet uygulamalarında, uygulanan Reynolds değernde deney sonuçları le uyumlu sonuçlar elde edleblmes sebebyle terch edlmştr. Lteratürde (Hremya vd. [30]) Düşük Re sayılı k- ε türbülans modelnn Re= 15000 değernde en y sonuçları verdğ ancak, Re= 50000 değerne kadar kullanılabldğ görülmektedr. Bu sebeple Re değer çalışma aralığı fzk htyaçları da karşılayacak şeklde bu değere yakın değerler olarak seçlmştr. Sayısal olarak ncelenen modeln geometrs Şekl 1 de ve hücre yapısı Şekl 2 de gösterlmştr. Kütlenn korunumu, momentum ve enerj denklemlerne uygun sınır şartları verlerek oluşturulan model sürekl şartlarda olup, çevreye radyasyon le olan ısı transfer hmal edlmş, sadece türbülanslı, zorlanmış taşınımla olan ısı transfer dkkate alınmıştır. Jet grş sıcaklığı T j =20 C olarak modellenmştr. 6
7 Şekl 1. HAD Model Geometrs (CFD Model Geometry) Şekl 2. Hücre Yapısı (Mesh Structure) Sürekllk, türbülanslı momentum ve enerj denklemler aşağıda sunulmuştur. Sürekllk denklem: (1) Momentum denklem: (2) Enerj denklem: (3) Modelde kullanılan sınır şartları Tablo 1. de sunulmuştur. Tablo 1. Sınır Şartları (Boundary Condtons) U(m/s) V(m/s) W(m/s) T (K) k ε Jet U=0 V=0 W= W grş T=T grş T İ W C C / k/ L Plaka U=0 V=0 W=0 q"=q" grş k0 ε z 0 0 x U j j j j j u u x U x U x x P x U U T u c x T k x x T U c p p
Çıkış U x 0 V x 0 W x 0 T=T çıkış k x 0 ε x 0 Ön ve Arka Duvar Üst Duvar U=0 V=0 W=0 U=0 V=0 W=0 T 0 y -- -- T z 0 -- -- Yüzeyden olan ısı transfer letm, taşınım ve ışınım le gerçekleşecektr. Bu çalışmada letmle ve ışınımla olan ısı kayıpları hmal edlmş ve yüzeyde tanımlanan ısı akısının tamamının taşınımla akışkana geçtğ kabulü yapılmıştır. Yüzeyden konveksyonla olan ısı transfer; Q h.a. T (4) Burada Q tasınım hedef plaka yüzeyndek ısı değer, h ısı taşınım katsayısı, A taşınım yüzey alanı, ΔT (ΔT=T yüzey - T yığın ) ölçülen yüzey sıcaklığı le akışkan ortalama sıcaklığı arasındak farktır. Nusselt sayısı (Nu); taşınımla olan ısı transfernn letmle olan ısı transferne oranını gösteren boyutsuz parametredr. Nusselt sayısı; Nu. ü ğ. (5) Burada T s ölçülen yüzey sıcaklığı, D h hdrolk çap ve k nf se nanoakışkan ısı letkenlk katsayısıdır. Ortalama Nusselt sayısı se; Nu. (6) Reynolds sayısı (Re); zorlanmış taşınımda akışın lamner veya türbülanslı olup olmadığını belrlemek çn kullanılmaktadır. Türbülanslı akışa esas Reynolds sayısı; ( nf. Vjet. Dh ) Re (7) ( ) nf Burada ρ nf nanoakışkan yoğunluğu, V jet jet çıkış hızı ve μ nf nanoakışkan dnamk vzkoztesdr. Nanoakışkan yoğunluğu se (Pak ve Cho [31]); ( 1 ).. (8) nf bf p Burada ρ bf temel akışkan (su) yoğunluğu, φ nanoakışkan hacmsel oranı, ρ p se nanoakışkan çersndek katı parçacıkların yoğunluğudur. Nanoakışkan hacmsel oranı se; 1 (9) (1/ ).( p bf ) 8
Burada ω nanoakışkan le temel akışkanın (su) yoğunlukları arasındak farktır. Nanoakışkan özgül ısısı se (Wang vd. [15]); C p nf.(. C p ) p (1 ).(. C p ) f (10) ( ) nf Burada ρ nf nanoakışkanın yoğunluğu, C p(p ) parçacığın özgül ısısı, C p(f) temel akışkanın özgül ısısıdır. Nanoakışkanın ısı letm katsayısı se (Corcone [32]) ; 14,4Re, Pr,, φ, (11) Burada Re p nanoparçacık Reynolds sayısı (Re ), φ parçacık hacmsel oranı, Pr bf temel akışkan Prandtl sayısı, T nanoparçacık sıcaklığı, T fr temel akışkan donma sıcaklığı, k bf temel akışkanın letm katsayısı, k p se nanoparçacıkların ısı letm katsayısıdır. Bu eştlk, nanoakışkan etkn ısı letm katsayısının hesaplanmasında; nanoparçacık hacm oranı, temel akışkan ve nanoparçacık ısı letm katsayıları ve parçacık çapını, yoğunluk değerlern ve nanoakışkan dnamk vskoztesn de hesaplamaya dâhl ettğ çn terch edlmştr. Bu şeklde brçok parametre modele dâhl edlmş ve hata mktarı en aza ndrgenmeye çalışılmıştır. Nanoakışkanın dnamk vzkoztes se şu şeklde hesaplanmıştır (Batchelor [33]). µ nf = µ bf 2 (1 + 2,5 + 4,698 ) (12) Burada φ nanoakışkan hacmsel oranı, μ bf se temel akışkanın dnamk vzkoztesdr. 2.1. Sayısal sonuçların doğrulanması (Valdaton of the numercal results) Bu çalışmada hücre yapısı akış şartlarına göre ayarlanmış olup daha hassas br sonuç alablmek çn jet grşler ve bakır plakanın yüzeynde hücreler yoğunlaştırılmıştır. İterasyon sayısı 450 ve 3500 arasında, hücre sayısı 21 ve 60 aralığında (z yönünde) çalışılmıştır. Buna göre hücre sayısı 152x20x50 ve terasyon sayısı 2500 olduğunda sonuçların hücre sayısından ve terasyon sayısından bağımsız olduğu görülmüştür. Sayısal sonuçların Hücre sayısından ve terasyon sayısından bağımsızlaştırma çalışmaları Şekl 3 ve Şekl 4 te sunulmuştur. 9
36 34 32 T ort 30 28 26 30 40 50 60 Hücre Sayısı (z) Şekl 3. Hücre Sayısından Bağımsızlaştırma (Independence from cell number) 28,0 27,8 T ort 27,6 27,4 27,2 27,0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 İterasyon Sayısı Şekl 4. İterasyon Sayısından Bağımsızlaştırma (Independence from teraton number) Mevcut çalışmada Reynolds değerler 12000-18000 arasındadır. Türbülanslı akış modellemesnde kullandığımız türbülans model olan düşük Reynolds sayısı k-ε model duvar fonksyonlarını kullanmaması sebebyle standart k- ε modelnden farklı br hücre yapısına htyaç duymaktadır. Bu blgler ışığında çözüm alanı çersnde çarpma plakasına yakın bölgelerde sınır tabakasındak değşklkler yakalayablmek ve vskoz alt tabakayı modelleyeblmek çn hücrelern sıklığı arttırıldı. Özellkle türbülanslı akışta düşük Reynolds sayısı modeln kullanablmek çn tavsye edlen y + değernn 1 den küçük br değer çn en az br hücre yerleştrlmes krter sağlanmaya çalışılmıştır. y. (13) U (14) Denklemlerde U sürtünme hızıdır ve duvara yakın bölgedek hızları temsl eden hız ölçeğdr. Sayısal model sonuçları, lteratürde yer alan L vd. [34] yapmış olduğu deney sonuçları le karşılaştırılmıştır. Düşük Re sayılı k- ε türbülans modelnn kullanıldığı durumda elde edlen sayısal sonuçlar le deneysel sonuçlar arasındak farkın Re=12000 çn %5 n altında olduğu tespt edlmştr. Düşük Re sayılı k-ε türbülans model, standart k-ε türbülans 10
model ve standart k-ω türbülans model le karşılaştırılmış ve deney sonuçlarını daha y br şeklde temsl edebldğ görülmüştür. Cu-su nanoakışkanı çn farklı türbülans modeller kullanılarak elde edlen sayısal sonuçların deney sonuçlar le karşılaştırılması Şekl 5 te sunulmuştur. 140 120 100 Nu ort 80 60 Deney sonuçları (L vd.[34]) Düşük Re sayılı k-model Standart k-model Standart k-model 40 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 Reynolds sayısı Şekl 5. Cu-Su nanoakışkanı çn model sonuçlarının deney sonuçları le (φ=%1,5) karşılaştırılması (Comparson of model results wth expermental results (φ=%1,5) for Cu-water nanoflud) (L vd. [34]) Sayısal model sonuçlarının doğruluğunu öngöreblmek (oluşturulan hücre yapısını doğrulayablmek) çn, sayısal sonuçları deney sonuçları le karşılaştırılmadan önce, hücre hassasyet analz yapılmıştır. Çalışma sonucunda farklı hücre yapıları çn hücre hassasyet analznden elde edlen y+ değerler Tablo.2 de sunulmuştur. Bu sonuçlar oluşturulan hücre yapısının, uygulanan türbülans modelnden doğru sonuçlar elde etmek çn yeterl olduğunu göstermektedr. Tablo 2. Hücre Hassasyet analz (Mesh Senstvty Analyss) Hücre Yapısı Hücre sayısı (x-y-z) Ortalama y + değer 1 152x20x21 1,62 2 152x20x30 1,38 3 152x20x34 1,26 4 152x20x44 1,05 5 152x20x50 0,89 6 152x20x54 0,87 7 152x20x56 0,86 3. BULGULAR VE TARTIŞMALAR (RESULTS AND DISCUSSIONS) Bu bölümde sayısal sonuçlar dört parametre çn ncelenmştr. a. Cu-Su nanoakışkanının farklı Reynolds sayılarında ısı transferne etks (Re= 12000, 14000, 16000, 18000) b. Cu-Su nanoakışkanının farklı parçacık çaplarında ısı transferne etks (Dp= 10nm, 20nm, 40nm, 80nm) c. Cu-Su nanoakışkanının farklı hacmsel oranlarda ısı transferne etks (φ= %2, %4, %6, %8) ç. Farklı tplerde hazırlanan nanoakışkanların ısı transferne etks (Cu-Su, NO-Su, CuO-Su, Su) 3.1. Farklı Re sayılarının ısı transferne etks (Effect of Dfferent Re number on heat transfer) Bu parametrede Cu-Su nanoakışkanı kullanılarak (20 nm parçacık çapında, %4 hacmsel oranda) oluşturulan br çarpan jet çn, farklı Reynolds sayılarının ısı transferne etks ncelenmştr (Re=12000, 14000, 16000, 18000). Şekl 6 da farklı Reynolds sayılarındak jetlern yerel Nusselt sayısına etks gösterlmştr. 11
140 120 Re=18000 Re=16000 Re=14000 Re=12000 100 Nu x 80 60 14 16 18 20 22 24 Şekl 6. Cu-Su nanoakışkanın farklı Reynolds sayılarında (d p = 20 nm ve φ= %4) yerel Nusselt sayısının değşm (Varaton of local Nusselt number for dfferent Reynolds number of Cu-H 2 O nanoflud wth dp= 20 nm and φ= 4%) x / D h Reynolds (Re) sayısı arttıkça ortalama Nusselt (Nu) sayısının artış gösterdğ ancak bu artışın azalarak devam ettğ tespt edlmştr. Yerel Nusselt sayısının beklenldğ gb çarpma bölgesnde hız azalmasına bağlı olarak br mktar azaldığı, duvar jet bölgesnn başlangıcında momentum transferne bağlı olarak artan hız dolayısı le en yüksek sevyeye ulaştığı, duvar jet bölgesnde yüzey sürtünmelerne ve oluşan hız proflne bağlı olarak azaldığı, farklı Reynolds sayılarında yerel Nusselt sayısındak değşmn benzerlk gösterdğ ancak yerel Nusselt sayındak farkın çarpma bölgesnde en yüksek olduğu, bu farkın duvar jet bölgesnde kademel olarak azaldığı tespt edlmştr. Ortalama Nusselt sayısındak artış; Re=12000-14000 aralığında %14 değernde; Re= 14000-16000 aralığında %8,9 değernde, Re=16000-18000 aralığında se %2,9 olarak gerçekleşmştr. Böylece; Re=12000 değernden Re=18000 değerne arttırılması sonucunda ortalama Nusselt sayısında %28 oranında br artış olduğu belrlenmştr. Mevcut sonuç; lteratürde yer alan çalışmalarla karşılaştırıldığında (Lv vd. [18], Wang vd. [35], benzer şeklde Re sayısı arttıkça ısı transfernn arttığı, yerel Nusselt sayısındak değşmn çarpma bölgesnde ve duvar jet bölgesnde lteratürdek çalışmalara benzerlk gösterdğ, ancak k fazlı modellern tek fazlı modellere göre fzksel sürec daha y temsl ettğ görülmüştür. Re=12000 ve Re=18000 değerler meydana gelen sıcaklık konturları Şekl 7 de, hız vektörler Şekl 8 de gösterlmştr. 12
Şekl 7. Cu-Su nanoakışkanın farklı Reynolds sayıları (dp= 20 nm ve φ= %4) çn sıcaklık konturları (Temperature contours for dfferent Reynolds numbers of Cu-H 2 O nanoflud wth dp= 20 nm and φ= 4%) Şekl 8. Cu-Su nanoakışkanın farklı Reynolds sayıları (d p = 20 nm ve φ= %4) çn hız vektörler (Velocty vectors for dfferent Reynolds numbers of Cu-H 2 O nanoflud wth d p = 20 nm and φ= 4%) Jet etksnn en fazla görüldüğü yer olan çarpma noktasında, Re sayısının artışına bağlı olarak artan akışkan hızı bu bölgedek kncl grdapların daha sınırlı br alanda kalmasını sağlamış, bu sebeple çarpma noktasındak sıcaklık azalması daha yüksek gerçekleşmş ancak daha sınırlı br bölgede meydana gelmştr. Çarpma sonrası yön değştren akışkan momentum transferne bağlı olarak hızlanmaktadır. Bu durum Re sayısı arttıkça hızın duvar jet bölgesnde daha uzak mesafelere kadar korunmasına ve sıcaklık azalmasının daha uzak mesafelere kadar görülmesn sağlamaktadır. Kanal duvarlarına yakın bölgelerde akışkan hızının azalmasına bağlı olarak ısıl sınır tabakanın kalınlaştığı ve yüzey sıcaklıklarının artığı görülmektedr. Ancak bu etk Re sayısı arttıkça azalmaktadır. Çarpma plakasının bakır olması (ısı letkenlk katsayısı yüksek malzeme) sebebyle, çarpma plakası üzernde sağlanan yerel soğutma etksnn süratle bütün plakaya yayıldığı, bu durumun plaka yüzeyndek sıcaklık değşmlernn düzenl br şeklde oluşmasını sağladığı görülmüştür. 3.2. Farklı Çaplardak Nanoparçacıkların Isı Transferne Etks (Effect of Dfferent Nanopartcles Dameter on Heat Transfer) 13
Bu parametrede temel akışkan çersnde bulunan bakır nanoparçacıkları farklı çaplarda (Dp=10nm, 20nm, 40nm, 80nm), %4 hacmsel oranda, Re=16000 çn ele alınmıştır. Şekl 9 de farklı nanoparçacık çapları çn elde edlen yerel Nusselt sayıları sunulmuştur. 140 120 dp=10nm dp=20nm dp=40nm dp=80nm 100 Nu x 80 60 14 16 18 20 22 24 Şekl 9. Cu-Su nanoakışkanın farklı nanoparçacık çapları (Re=16000 ve φ= %4) çn, yerel Nusselt sayısının değşm (Varaton of local Nusselt number for dfferent nanopartcle dameter of Cu-H 2 O nanoflud wth wth Re=16000 and φ=4%) x / D h Akışkan çersnde kullanılan nanoparçacık çapı küçüldükçe, parçaçıkların yüzey alanı/hacm oranı artmakta, bu durum katı parçacık le temel akışkan arasındak yüzey alanının artmasına, dolayısı le nanoakışkandan olan ısı transfernde artışına sebep olmaktadır. Ayrıca küçük çaplı parçacıklarda; çarpma ve öteleme hareketnden (Brownan moton) kaynaklanan hdrodnamk davranış vorteks oluşumunu da arttırmakta, bu durum hdrodnamk sınır tabakayı arttırmakta ve ısıl sınır tabakayı azaltmaktadır. Bu sonuçlara göre en y ısı transfer performansı parçacık çapı 10nm olduğunda elde edlmştr. Parçacık çapı 80nm den 10nm ye azaltıldığında ortalama Nusselt sayısında %13,2 oranında br artış meydana gelmştr. Yerel Nusselt sayısındak değşm hedef plaka boyunca benzerlk göstermektedr. Yerel Nusselt sayısı, duvar jet bölges başlangıcında yüksek hız sebebyle en yüksek sevyede oluşmakta, duvar jet bölgesnde hız azalmasına bağlı olarak kademel olarak azalmaktadır. Parçacık çapı Dp=10 80 aralığında yerel Nusselt sayısından oluşan fark duvar jet bölgesnn başlangıcında en yüksek sevyededr. Bunun sebeb küçük parçacık çaplı nanoakışkanlarda daha büyük ısı transfer yüzey alanı olmasının yanı sıra, yüksek hız sebebyle daha fazla br türbülans yoğunluğuna sahp olmasıdır. Dp=40 le 80 arasında yerel Nusselt sayısında duvar jet bölgesnn başlangıcından tbaren belrgn br fark yoktur. Bunun sebebnn parçacık çapının azalmasına bağlı olarak artan yüzey alanının yanı sıra, parçacıkların akışkan çndek davranışının bu çap değerler çn daha öneml olduğundan kaynaklandığı değerlendrlmştr. Duvar jet bölges boyunca Dp=10 değernde yerel Nusselt sayısındak azalma en az sevyededr. Bunun sebebnn parçacık çapı küçük olduğu çn akışkan tabakaları arasındak sürtünme etklernden daha az etklenmes olarak değerlendrlmektedr. Dp=10 nm ve Dp=80 nm çn oluşan sıcaklık konturları Şekl 10 da, hız vektörler Şekl 11 de sunulmuştur. 14
Şekl 10. Cu-Su nanoakışkanın farklı nanoparçacık çapları (D p =10 nm ve D p =80 nm) çn (Re=16000 ve φ= %4) sıcaklık konturları (Temperature contours for dfferent nanopartcle dameter (Dp=10 nm ve Dp=80 nm) of Cu-H 2 O nanoflud wth wth Re=16000 and φ=4%) Şekl 11. Cu-Su nanoakışkanın farklı nanoparçacık çapları (D p =10 nm ve D p =80 nm) çn (Re=16000 ve φ= %4) hız vektörler (Velocty vectors for dfferent nanopartcle dameter (Dp=10 nm ve Dp=80 nm) of Cu-H 2 O nanoflud wth wth Re=16000 and φ=4%) Parçacık çapı azaldıkça; ortalama Nusselt sayısında (Nu ort ) kademel olarak artan br artış tespt edlmştr. Parçacık çapı 80nm den 40 nm ye azaltıldığında; Nu ort da %2 lk br artış olduğu, parçacık çapı 40nm den 20 nm ye azaltıldığında Nu ort da %6 lk br artış olduğu, parçacık çapı 20nm den 10nm ye azaltıldığında se arttırıldığında Nu ort da %8 artış olduğu tespt edlmştr. Bu artışın; parçacık çapının azalmasına bağlı olarak artan nanoakışkan ısı letm katsayısındak artıştan ve yüzeye yakın bölgelerde oluşan nano boyuttak grdaplardan (bu grdaplar nanoparçacıkların çarpışma ve öteleme hareketnden (Brownan hareketler) kaynaklanmaktadır) kaynaklandığı değerlendrlmştr. Mevcut sonuç; lteratürde yer alan çalışmalarla karşılaştırıldığında (L vd. [34], Feng ve Klenstreuer [36]); öncelkle lteratürde parçacık çapının parametre olarak ncelendğ çok fazla çalışma mevcut değldr. Mevcut çalışmalara benzer şeklde bu çalışmada da nanoparçacık çapındak azalmaya bağlı olarak ısı transfernde artış olduğu tespt edlmştr. φ= %4 hacmsel oranda ve dp=20-40 nm aralığında parçacık çapında 15
10nm lk br azalmanın Nu ort da lteratürde (Feng ve Klenstreuer [36]) %5,7 oranında br artışa sebep olduğu, aynı şartlarda bu çalışmada %6 lık br artışa sebep olduğu tespt edlmştr. 3.3. Farklı Hacmsel Oranlarda Hazırlanan Nanoakışkanların ısı transferne etks (Effect of dfferent volume fracton of nanofluds on heat transfer) Cu-su nanoakışkanı çn (20 nm parçacık çapında, Re=16000 çn) farklı hacmsel oranlarda hazırlanan nanoakışkanların yerel Nusselt sayısına etks Şekl 12 de sunulmuştur. Bu sonuçlara göre hacmsel oran φ=%2 den φ=%8 e çıkarıldığında ortalama Nusselt sayısında %7,1 oranında br artış olduğu görülmüştür. 140 120 =%8 =%6 =%4 =%2 Nu x 100 80 60 14 16 18 20 22 24 Şekl 12. Cu-Su nanoakışkanının farklı hacmsel oranlarda hazırlanmış nanoakışkanlar çn (Re=16000 ve D p =20 nm) yerel Nusselt sayısının değşm (Varaton of local Nusselt number of Cu-H 2 O nanoflud for dfferent volume rato wth Re=16000 and Dp=20 nm) x / D h Ayrıca hacmsel oran φ= %2 den %4 e çıktığında ortalama Nusselt sayısında %4,8 oranında görülen bu artış mktarı, φ= %4 ten %6 ya çıktığında %1,2 ye ve φ= %6 dan %8 e çıktığında %0,8 olarak tespt edlmştr. Farklı hacmsel oranları (φ= %2 ve φ= %8) çn oluşan sıcaklık konturları Şekl 13 de ve hız vektörler Şekl 14 de sunulmuştur. Şekl 13. Cu-su nanoakışkanının farklı hacmsel oranlarda (φ= %2 ve φ= %8) hazırlanmış nanoakışkanlar çn (Re=16000 ve D p =20 nm) sıcaklık konturları (Temperature contours of Cu-H 2 O nanoflud for dfferent volume fractons (φ= %2 and φ= %8) wth Re=16000 and Dp=20 nm) 16
Şekl 14. Cu-Su nanoakışkanının farklı hacmsel oranlarda (φ= %2 ve φ= %8) hazırlanmış nanoakışkanlar çn (Re=16000 ve D p =20 nm) hız vektörler (Velocty vectors of Cu-H 2 O nanoflud for dfferent volume fractons (φ= %2 and φ= %8) wth Re=16000 and D p =20 nm) Yerel Nusselt sayısındak değşm dört farklı hacmsel oran çn de benzerlk göstermektedr. Yerel Nusselt sayısındak (φ= %2 - %8 aralığında) en büyük fark duvar jet bölgesnn başlangıcında olduğu tespt edlmştr. Bunun sebebnn; hedef plakaya çarpma sonrası yön değştren akışkanda meydana gelen momentum transfer ve an hızlanmaya bağlı olarak katı parçacıklar arasındak çarpma ve öteleme hareketlernn en yüksek sevyede bu bölgede oluşmasından kaynaklandığı değerlendrlmektedr. Bu durum; nano ve mcro vortekslern oluşmasına sebep olmakta, ısı transfernn yalnızca tabakadan tabakaya değl tabakalar arasında da meydana gelmesnden kaynaklandığı değerlendrlmştr. Böylece ısıl sınır tabaka kalınlığı azalmakta ve Nusselt sayısı en yüksek sevyeye çıkmaktadır. Bu fark duvar jet bölges boyunca hız azalmasına bağlı olarak azalmaktadır. x/d h = 18 değernden sonra se belrgn br fark oluşmadığı tespt edlmştr. Sonuç olarak; nanoakışkanın çersnde bulunan nanoparçacıkların hacmsel oranı %4 değerne kadar ortalama Nusselt sayısında br artış olduğu ancak bu değerden sonra, hacmsel oran arttıkça ortalama Nusselt sayısındak artışta belrgn br azalma tespt edlmştr. Dolayısı le; hacmsel oranı %4 değernden daha fazla artırmanın, ısı transfernde belrgn br artışa sebep olmadığı tespt edlmştr. Mevcut sonuç; lteratürde yer alan çalışmalarla karşılaştırıldığında (Lv vd. [12], Sngh vd. [19]); bu çalışmalarda genellkle hacmsel oranın φ= %2 değernn altında olduğu görülmektedr. Bu çalışmada farklı olarak hacmsel oran φ= %2 değerne kadar çalışılmıştır. Hacmsel orandak artış φ= %2 değerne kadar sürekl olarak artmaktadır. Bu sebeple hacmsel oranın ısı transfer mktarını belrleyen öneml br parametre olduğu değerlendrlmştr. Ancak mevcut çalışmada, hacmsel oran %2 değernden daha fazla arttırıldığında, %4 değerne kadar ısı transferndek artışın devam ettğ ancak bu değerden sonra artışın azalarak devam ettğ tespt edlmştr. Öyle k ortalama Nusselt sayısındak artış φ= %6 - %8 aralığında %0,8 e kadar azaldığı belrlenmştr. 3.4. Farklı tptek akışkanların ısı transferne etks (Effect of dfferent nanofluds on heat transfer) Cu-Su, NO-Su ve CuO-Su nanoakışkanların kullanıldığı durumda (%4 hacmsel oranda, 20 nm parçacık çapında, Re=16000) hedef plaka yüzeynde oluşan yerel Nusselt sayıları Şekl 15 de sunulmuştur. Tablo 2 de bu parametrede kullanılan akışkanların 20 o C dek hesaplanan fzksel ve ısıl özellkler verşmştr. 17
Tablo 2. Akışkanların 20 0 C dek fzksel ve ısıl özellkler (Physcal and thermal propertes of fluds at 20 0 C) Akışkan Cu-Su NO-Su CuO-Su Yoğunluk ρ (kg/m3) Özgül Isı Cp (J/kgK) Dnamk Vskozte μ(pa.s) Knematk Vskozte (m 2 /s) Isı İletm Katsayısı λ (W/mK) Isıl Genleşme Katsayısı β (m 2 /s) 1316,672 3148,451 0,001099 0,000000835 0,6684 0,000161244 1230,672 3389,815 0,001099 0,000000894 0,6640 0,000159157 1218,272 3403,881 0,001099 0,000000903 0,6621 0,000159664 Su 998,2 4182,0 0,000993 0,00000099 0,597 0,000143012 130 120 110 Cu-Su NO-Su CuO-Su Su 100 Nu x 90 80 70 60 50 14 16 18 20 22 24 Şekl 15. Farklı tpte nanoakışkanlar çn (Re=16000, dp= 20 nm ve φ= %4) yerel Nusselt sayısının değşm (Varaton of local Nusselt number for dfferent types of nanofluds wth Re=16000, dp= 20 nm and φ= 4% ) x / D h Yerel Nusselt sayısındak değşmn duvar jet bölges boyunca benzerlk gösterdğ, Cu-Su nanoakışkanı le saf su çn yerel Nusslet sayısındak en büyük farkın duvar jet bölges başlangıcında oluştuğu, bunun sebebnn ısı letm katsayısındak farktan kaynaklandığı değerlendrlmştr. Duvar jet bölgesnn sonlarında hız azalmasına ve akışkan tabakaları arasında ısı geçşnn arasında Cu-Su nanoakışkanı çn daha hızlı olması sebebyle oldukça azaldığı tespt edlmştr. Duvar jet bölges boyunca yerel Nusselt sayısının değerndek değşm en çok Cu-Su nanoakışkanında meydana gelmştr. NO-Su ve CuO-Su nanoakışkanları çn yerel Nusselt sayısındak fark %1 den az olduğu tespt edlmştr. Bunun sebebnn bu k akışkanın ısı letm katsayılarının brbrne çok yakın olması olarak değerlendrlmştr. Cu-Su nanoakışkanı saf su kullanıldığı duruma göre ortalama Nusselt sayısında %8,3 oranında br yleşme göstermştr. Cu-Su nanoakışkanı kullanılma durumunda, ortalama Nusselt sayısında CuO-Su nanoakışkanına göre %3,6 ve NO-Su nanoakışkanına göre %2,7 oranında br yleşme göstermştr. Farklı tpte nanoakışkanlar ve Saf Su çn hedef plaka yüzeynde oluşan sıcaklık konturları Şekl 16 da, hız vektörler Şekl 17 de gösterlmştr. 18
Şekl 16. Farklı nanoakışkanlar çn (Re=16000, dp= 20 nm ve φ= %4) sıcaklık konturları (Temperature contours for dfferent nanoflud wth Re=16000, dp= 20 nm ve φ= 4%) Şekl 17. Farklı nanoakışkanlar çn (Re=16000, dp= 20 nm ve φ= %4) hız vektörler (Velocty vectors for dfferent nanofluds wth Re=16000, dp= 20 nm ve φ= 4%) Hedef plaka üzernde oluşan sıcaklık konturları ncelendğnde; yerel sıcaklık değerlernn en yüksek saf su kullanımında, en düşük değerlern se Cu-Su nanoakışkanı kullanılma durumunda oluştuğu tespt edlmştr. Hedef plakanın bakır br plaka olması sebebyle sıcaklık değşmlernn düzenl olduğu ve benzerlk gösterdğ, en yüksek sıcaklık düşüşünün çarpma bölgesnde Cu-Su nanoakışkanı kullanılma durumunda olduğu belrlenmştr. Bu durumun se; Cu-Su nanoakışkanının ısı letm katsayısının dğerlerne göre yüksek olmasından kaynaklandığı değerlendrlmştr. NO-Su ve CuO-Su nanoakışkanları kullanılma durumunda oluşan sıcaklık konturlarının oldukça benzer olduğu, bunun se ısı letm katsayılarının çok yakın olmasından kaynaklandığı değerlendrlmektedr. Hedef plaka üzernde oluşan hız konturları ncelendğnde; hdrodnamk sınır tabakanın en belrgn br şeklde CuO-Su nanoakışkanı kullanılması durumunda oluştuğu bunun sebebnn akışkan yoğunluğunun dğerlerne göre yüksek olmasından kaynaklandığı, çarpma bölges başlangıcında görülen yüksek hızların plaka boyunca sürtünme etklerne bağlı olarak azaldığı, plaka uzunluğuna bağlı olarak akışta ayrılmalar görülmedğ, hacm oranları ve parçacık çapları aynı olan nanoakışkanların akış profllernn benzerlk gösterdğ tespt edlmştr. Mevcut sonuç lteratürde yer alan çalışmalarla karşılaştırıldığında; bu çalışmada alınan sonuçlara paralel olarak, nanoakışkan ısı letm katsayısının öneml br parametre olduğu, ısı letm katsayısı yüksek olan nanoakışkan kullanıldığında daha yüksek ısı transfer elde edlebleceğ tespt edlmştr (L vd. [37]). Ancak bazı çalışmalarda se (Nayak vd. [21]); ısı transferndek artışın ısı letm katsayısının artışından çok, nanoparçacıkların akış çndek davranışından kaynaklandığı, bu sebeple daha homojen br dağılım gösteren nanoakışkanların daha y br ısı transfer performansı gösterebldğ fade edlmştr. 19
4. SONUÇ (CONCLUSION) Bu çalışmada; yüksek ısı akılı br yüzeyde ısı transfernn, nanoakışkanların çarpan akışkan jet teknğ le kullanılarak yleştrlmes; farklı parametreler çn (Re=12000, 14000, 16000, 18000, hacmsel oran φ = %2, %4, %6, %8, nanoparçacık çapı Dp= 10nm, 20nm, 40nm, 80nm ve farklı tpte nanaoakışkanlar Cu- Su, CuO-Su, NO-Su) sayısal olarak ncelenmştr. Sonuç olarak; a. Cu-Su nanoakışkanı kullanıldığı durumda (20 nm parçacık çapında ve % 4 hacmsel oranda); Re sayısının artması le ısı transfernn beklendğ gb arttığı gözlemlenmştr. Re sayısının 12000 değernden 18000 değerne arttırılması sonucunda ortalama Nusselt sayısında %28 oranında br artış olduğu belrlenmştr. b. Akışkan çersnde kullanılan nanoparçacık çapı küçüldükçe, akışkanın ısı letm katsayısında meydana gelen artışa ve parçacık yüzey alanı/hacm oranının artışına bağlı olarak ısı transfernde artış olduğu tespt edlmştr. Parçacık çapı 80nm den 10nm ye azaltıldığında ortalama Nusselt sayısında %13,2 oranında br artış meydana geldğ tespt edlmştr. c. Cu-su nanoakışkanı çn (20 nm parçacık çapında); farklı hacmsel oranlarda oluşturulan nanoakışkanların kullanıldığı durumda ortalama Nusselt sayısında φ= %4 ten sonra öneml br değşklk olmadığı görülmüştür. Hacmsel oran; φ=%2 den φ=%8 e çıkarıldığında ortalama Nusselt sayısında %7,1 oranında br artış olduğu görülmüştür. ç. Farklı soğutucu nanoakışkanların kullanıldığı durumdan (20 nm parçacık çapında ve % 4 hacmsel oranda); en y ısı transfer Cu-Su nanoakışkanı kullanıldığında elde edlmştr. Cu-Su nanoakışkanı kullanılma durumunda; geleneksel br ısı transfer akışkanı olan saf suya göre ortalama Nusselt sayısında %8,3 oranında br artış sağlanmıştır. d. Düşük Re sayılı k-ε türbülans modelnn kullanıldığı durumda elde edlen sayısal sonuçlar le deneysel sonuçlar arasındak farkın Re=12000 çn %5 n altında olduğu tespt edlmştr. Düşük Re sayılı k-ε türbülans model, standart k-ε türbülans model ve standart k-ω türbülans model le karşılaştırılmış ve deney sonuçlarını daha y br şeklde temsl edebldğ görülmüştür. e. Bu alanda yapılacak gelecek çalışmalarda çarpan jetlerde hbrt nanoakışkanların kullanılmasının (farklı tpte katı parçacıkların müşterek etksnn ncelenmes maksadıyla), yüzeyde oluşan ısı transferne ve akış karakterstğne etksnn, çarpan jetlern farklı yüzey soğutma teknkler le brlkte farklı geometrlerde (en, boy ve yükseklk gb) kullanılması durumunda ısı transfernde ve akış özellklernde meydana geleblecek değşmlern, farklı parametreler çn ncelenmesnn faydalı olacağı değerlendrlmştr. TEŞEKKÜR (ACKNOWLEDGEMENT) Bu çalışma, Adana Blm ve Teknoloj Ünverstes nn 16103021 no lu ve 18103006 no lu Blmsel Araştırma Projeler le desteklenmştr. SEMBOLLER (SYMBOLS) Q ışınım V R k c Işınımla olan ısı transfer Güç üntes gerlm değer Elektrksel drenç Bakır plakanın ısı transfer katsayısı 20
A c L c A yal k na ρ nf Bakır plaka yüzey alanı Bakır plaka kalınlığı Yalıtım malzemes yüzey alanı Nanoakışkan ısı transfer katsayısı [W/mK] Nanoakışkan yoğunluğu [kg/m3] µ na Nanoakışkan Dnamk Vzkostes [Pa.s] D h V jet ρ ta C p φ Hdrolk Çap [m] Jet hızı [m/s] Temel akışkan yoğunluğu [kg/m3] Özgül Isı [J/kgK] Hacmsel oran Re Reynolds Sayısı [Re=V.ρ.D h /µ] Nu Nusselt Sayısı [Nu=Q.D h /ΔT.k] Pr Prandtl Sayısı [Pr=µ.C p /k] KAYNAKLAR (REFERENCES) 1. Cho, S.U.S., Enhancng thermal conductvty of fluds wth nanopartcles, ASME FED, 231, 99-105, 1995. 2. Sarkar, J., Ghosh, P., Adl, A., A revew on hybrd nanofluds; resent research, development and applcatons, Renew. Sust. Energ. Rev., 43, 164-177, 2015. 3. Kasaean, A., Eshgh, A.T., Samet, M., A revew on the applcatons of nanofluds n solar energy systems, Renew. Sust. Energ. Rev., 43, 584-598, 2015. 4. Suresh, S., Chandrasekar, S., Sekhar, C., Expermental studes on heat transfer and frcton factor characterstcs of CuO/water nanoflud under turbulent flow n a helcally dmpled tube, Exp.Thermal Flud Sc., 35, 542-549, 2011. 5. Assef, Y., Arab, D., Pourafshary, P., Applcaton of nanoflud to control the fnes mgraton to mprove the performance of low salnty water floodng and alkalne floodng, J. Pet. Sc. Eng., 124, 331-340, 2014. 6. Selvakumar, P., Suresh, S., Convectve performance of CuO/water nanoflud n an electronc heat snk, Exp., Thermal Flud scence, 40, 57-63, 2012. 7. Hadad, K., Rahman, A., Nematollah, M.R., Numercal study of sngle and two phase moldes of water/al2o3 nanoflud turbulent force conveston flow n VVER-1000 nuclear reactor, Ann. Nucl. Energy, 60, 287-294, 2013. 8. Devdatta, P.K., Debendra, K.D., Ravkanth S.V., Applcaton of nanofluds n heatng buldng and reducng polluton, Appled Energy, 86, 2566-2573, 2009. 9. Ho, S.A., Hyungdae, K., Hangln, J., Soon Ho, K., Wonpyo, C., Moo H.K., Expermental study of crtcal heat flux ebhancement durng forced convectve flow bolng of nanoflud on a short heated surface, Int.J. Multphase flow, 36, 375-384, 2010. 10. Teamah, M.A., Dawood, M.M., Shehata, A., Numercal and expermental nvestgaton of flow structure and behavor of Nanofluds flow mpngement on horzontal flat plate, Expermental Thermal and Flud Scence, 74, 235-246, 2015. 11. Manca O., Rcc D., Nardn S., Lorenzo G., Thermal and flud dynamcs behavours of confned lamnar mpngng slot jets wth nanofluds, Internatonal Communcatons n Heat and Mass Transfer, 70,15-26, 2016. 12. Lv J., Chang S., Hu C., Ba M., Wang P., Zeng K. Expermental nvestgaton of free sngle jet mpngement usng Al 2 O 3 - water nanoflud. Internatonal Communcatons n Heat and Mass Transfer, 88, 126 135, 2017. 13. Khaleduzzaman, S.S., Sohel, M.R., Sadur, R., Mahbubul, I.M., Akash, B.A., Selvaraj, J., Energy and exergy analyss of alümna-water nanoflud for an electronc lqud coolng system, Internatonal Communcaton n Heat and Mass Transfer, 57, 118-127, 2014. 14. Modak M., Srnvasan S., Garg K., Chougule S.S., Agarwal M.K., Sahu S.K., Expermental nvestgaton of heat transfer characterstcs of the hot surface usng Al2O3-water nanofluds, Chemcal Engneerng and Processng: Process Intensfcaton, 91, 104 113, 2015. 15. Wang B.X., Zhou L.P., Peng X.F. Surface and sze effects on the specfc heat capacty of nanopartcles, Internatonal Journal of Thermophyscs, 27(1), 139 151, 2006. 21
16. Sun B., Qu Y., Yang D., Heat transfer of sngle mpngng jet wth Cu nanofluds, Appled Thermal Engneerng, 102, 701-707, 2016. 17. Umer A., Naveed S., Ramzan N., Expermental study of lamnar forced convecton heat transfer of deonzed water based copper (I) oxde nanaofluds n tube wth constant wall heat flux, Heat Mass Transfer, 52, 2015-2025, 2015. 18. Lv, J., Hu, C.,Ba, M., Zeng, K.,Chang, S., Gao, D., Expermental nvestgaton of free sngle mpngement usng SO 2 -water nanoflud, Expermental Thermal and Flud Scence,84, 39-46, 2017. 19. Sngh, M., Yadav, D., Arpt S., Mtra S., Saha, S.K., Effect of nanoflud concentraton and composton on lamner jet mpnged coolng of heated steel plate, Appled Thermal engneerng, 100, 237-246, 2016. 20. Klc, M. ve Ozcan, O., Numercal nvestgaton of heat transfer and flud flow of nanofluds wth mpngng jets, Internatonal Conference On Advances and Innovatons n Engneerng (ICAIE), 434-440, 2017. 21. Nayak, S.K., Mshra, P.C., Parashar, S.K., Enhancement of heat transfer by water Al 2 O 3 and water-to 2 nanofluds jet mpngement n coolng hot surface steel surface, Journal of Expermental Nanoscence, 11, 1253-1273, 2016. 22. Alaw O.A., Azwad N., Sdk C., We H., Hao T., Kaz S. N., Thermal conductvty and vscosty models of metallc oxdes nanofluds, Internatonal Journal of Heat and Mass Transfer, 116, 1314 1325, 2018. 23. Yan, W.M., Lu, H.C., Soong, C.Y. ve Yang, W.J., Expermental study of mpngng heat transfer along rbroughened walls by usng transent lqud crystal technque, Heat and Mass Transfer, 48, 2420-2428, 2005. 24. Klc, M., Çalışır, T. ve Başkaya, Ş., Expermental and numercal study of heat transfer from a heated flat plate n a rectangular channel wth an mpngng Jet, Journal of the Brazlan Socety of Mechancal Scences and Engneerng, 39(1), 329-344, 2017. 25. McGunn, A., Persoons, T., O donovan T., Murray, D., Surface heat transfer from an mpngng synthetc ar jet, Internatonal Journal of Heat and Mass Transfer, 20, 1333-1338, 2007. 26. Ln Z.H., Chou Y.J., Hung Y.H., Heat transfer behavors of a confned slot jet mpngement, nternatonal journal of heat and mass transfer, 49, 2760-2780, 1996. 27. Isman, M. K., Pulat, E., Etemoglu, A. B., ve Can, M., Numercal nvestgaton of turbulent mpngng jet coolng of a constant heat flux surface, Numercal Heat Transfer, 53(10),1109-1132, 2008. 28. Dagtekn I., Oztop H., Heat transfer due to double lamnar slot jets mpngement onto an sothermal wall one sde closed long duct, Int. Journal of Heat and Mass Transfer, 35, 65-75, 2007. 29. Klc M., Başkaya Ş., Farklı geometrde akış yönlendrcler ve çarpan jet kullanarak yüksek ısı akılı br yüzeyden olan ısı transfernn yleştrlmes, Journal of the Faculty of Engneerng and Archtecture of Gaz Unversty, 32(3), 693-707, 10.17341/gazmmfd.337616, 2017. 30. Hremya C., Mller S., Mallo T., Sncla, J., Comparson of low Reynolds number k-ε turbulence models n predctng heat transfer rates for ppe flow, Int. J. Heat Mass Transfer. Vol 41 (11), 1543-1547, 1998. 31. Pak, B. C., Cho, Y. I. Hydrodynamc and heat transfer study of dspersed fluds wth submcron metallc oxde partcles, Expermental Heat Transfer an Internatonal Journal, 11(2), 151 170,1998. 32. Corcone M., Emprcal correlatng equatons for predctng the effectve thermal conductvty and dynamc vscosty of nanofluds. Energy Converson and Management, 52(1), 789 793, 2011. 33. Batchelor G. K., Effect of Brownan-Moton on bulk ttress n a suspenson of sphercal-partcles. Journal of Flud Mechancs, 83(1), 97 117, 1977. 34. L Q., Xuan Y., Yu F., Expermental nvestgaton of submerged sngle jet mpngement usng Cu-Water Nanoflud. Appled Thermal Engneerng, 36(1), 426 433, 2012. 35. Wang, P., Lv, J., Ba, M., Wang, Y., Hu, C., A numercal nvestgaton of mpngng jets coolng wth nanofluds, Nanoscale and Mcroscale Thermophyscal Engneerng, 18(4), 329-353, 2014. 36. Feng, Y., Klenstreuer, C., Nanoflud convectve heat transfer n a parelleldsk system, Int.J.Heat Mass Transfer, 53(4), 4619-4628, 2010. 37. L, Y., Zhou J., Tung, S., Tung, S., Schneder, E., X, S., A revew on development of nanoflud preperaton and characterzaton, 196, 89-101, 2009. 22