Evaluation of the Carbon-Based Nanofluids in Terms of Heat Transfer and Flow Properties at Backward-Facing Step Flow


Creative Commons License

Karabulut K., Alnak D. E.

Tesisat Mühendisliği, vol.28, no.176, pp.38-52, 2020 (Peer-Reviewed Journal)

  • Publication Type: Article / Article
  • Volume: 28 Issue: 176
  • Publication Date: 2020
  • Journal Name: Tesisat Mühendisliği
  • Journal Indexes: TR DİZİN (ULAKBİM)
  • Page Numbers: pp.38-52
  • Sivas Cumhuriyet University Affiliated: Yes

Abstract

The backward-facing step flow is seen in applications in our daily life, such as high attack angle at airfoil, the separation flow behind a vehicle, the flow in a gas turbine, and also the flow around a boat or building. In terms of increasing the amount of heat and mass transfer, the control of the backward step region is fairly important. In this study, the heat transfer and flow properties with turbulence of step corner structures with different chamfer lengths as h/4 and h according to geometry of without chamfer have been numerically searched by using GO (Graphene Oxide)-distilled water and MWCNT (Multi-Walled Carbon Nanotube)-distilled water nanofluids having 0,01% volumetric concentration comparing with distilled water at the vertically positioned backward-facing step flow geometry. One of the walls behind the backward-facing step has been kept at a constant temperature while the others are adiabatic. The results of the study have been achieved by solving conservation equations with three dimensional and steady k-ε turbulence model with Boussinesq approach using ANSYS-FLUENT computer program. The nanofluids used in the study have been considered as single-phase and experimentally obtained thermophysical values have been employed. The expansion rate of the backward-facing step is 1,5. The study has been carried out in different Reynolds numbers of 7500 and 10000. The present study has been compared with the numerical results of the work found in the literature and it has been found that they are compatible and acceptable to each other. The results have been presented as the variations of Nu number, fluid temperature, turbulence kinetic energy and pressure. In addition, the contours of the temperature and velocity and streamline distributions have been visualized at the backward-facing step flow geometry. For Re=10000, the average Nu number value of the step geometry with h/4 at the 0.01% GO-distilled water nanofluid flow has been determined to be 11,51% higher than the geometry of distilled water

Geriye dönük adım akışı, büyük hücum açısında kanat uçlarında, bir aracın arkasındaki ayrılma akışında, bir gaz türbinindeki akışta ve ayrıca bir tekne veya binanın etrafındaki akış gibi günlük yaşantımızdaki uygulamalarda görülmektedir. Isı ve kütle transferi miktarını artırmak açısından geriye dönük adım bölgesinin kontrolü oldukça önemlidir. Bu çalışmada, dikey olarak konumlandırılmış geriye dönük adım akışı geometrisinde h/4 ve h olmak üzere farklı pah uzunluklu adım köşe yapılarının pahsız geometriye göre türbülanslı ısı transferi ve akış özellikleri hacimce %0,01 konsantrasyonlara sahip GO (Grafen Oksit)-saf su ve MWCNT (Çok Katmanlı Karbon Nanotüp)-saf su nanoakışkanlarının kullanılmasıyla saf su ile karşılaştırılarak sayısal olarak incelenmiştir. Geriye dönük adımın arkasındaki duvarlardan biri sabit sıcaklıkta tutulurken diğerleri adyabatiktir. Çalışmanın sonuçları, üç boyutlu ve zamandan bağımsız olarak korunum denklemlerinin k-ε türbülans modelli, Boussinesq yaklaşımlı ANSYS-FLUENT bilgisayar programıyla çözülmesiyle elde edilmiştir. Çalışmada kullanılan nanoakışkanlar tek fazlı kabul edilmiş olup, deneysel olarak elde edilen termofiziksel değerler kullanılmıştır. Geriye dönük adımın genişleme oranı 1,5’tir. Çalışma, 7500 ve 10000 olmak üzere farklı Reynolds sayılarında gerçekleştirilmiştir. Sunulan çalışma, literatürde bulunan çalışmanın sayısal sonuçlarıyla karşılaştırılmış olup birbirleriyle uyumlu ve kabul edilebilir oldukları görülmüştür. Sonuçlar, Nu sayısı, akışkan sıcaklık, türbülans kinetik enerji ve basınç değişimleri olarak sunulmuştur. Ayrıca, geriye dönük adım akışı geometrisinde, sıcaklık, hız konturları ve akım çizgisi dağılımları görselleştirilmiştir. Re=10000 için %0,01 GO-saf su nanoakışkanı akışında h/4 pah uzunluklu geriye dönük adım geometrisinin ortalama Nu sayısının saf su kullanılan geometriden %11,51 daha fazla olduğu belirlenmiştir