Brownian olmayan küresel parçacıkların genel göç model eşitliklerinin türetilmesi ve nanoakışkanların karmaşık geometrilerdeki ısı geçişlerinin sayısal olarak incelenmesi
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Sivas Cumhuriyet Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, KİMYA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2014
Tezin Dili: Türkçe
Öğrenci: NEŞE ÇAKMAK
Danışman: HASAN HÜSEYİN DURMAZUÇAR
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Yapılan bu doktora tez çalışmasında hacimsel fraksiyonları % 0 – 5 aralığında değişen Al2O3 nanoparçacığı ile hazırlanmış olan nanoakışkanların iki-boyutlu karmaşık sistemlerde sadece doğal taşınımın olduğu ve hem doğal hem de zorlanmış taşınımların birlikte olduğu ısı geçişleri iki-boyutlu sistemlerde dördüncü dereceden sonlu hacimler yöntemi kullanılarak sayısal olarak incelenmiş ve ısı aktarımında artışa neden olan temel fiziksel mekanizma ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Ayrıca Brownian özellik göstermeyen küresel parçacıkların derişik süspansiyonları için iki-boyutlu momentum ve enerji eşitliklerinin sayısal çözümlenmesi sonlu hacimler yöntemi ve düzgün dağılımlı olmayan yapısal kaydırılmış ızgara yapısı kullanılarak parçacık göçü model eşitlikleri geliştirilmiştir. Momentum ve enerji eşitlikleri içerisindeki difüzyon terimleri ikinci dereceden merkezi farklar şeması ile çözümlenmiştir. Buna ek olarak düzgün dağılımlı olmayan ağ yapılarında çözüm yapabilen dördüncü dereceden doğruluğa sahip FPFOI (Four-Point, Fourth-Order Interpolation Scheme) şeması geliştirilerek momentum ve enerji eşitlikleri içerisindeki konvektif terimlerin çözümlenmesinde kullanılmıştır. Süreklilik ve momentum denklemleri SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) algoritması kullanılarak çözülmüştür. Doğal ve zorlanmış taşınımların birlikte olduğu ısı geçişlerinin meydana getirdiği akış hidrodinamiği düşük ve oldukça yüksek Re sayılarında ayrıntılı olarak incelenmiştir. Ayrıca Al2O3 nanoparçacığı ile oluşturulmuş farklı nanoparçacık hacimsel fraksiyonlarındaki nanoakışkanların, reolojik özellikleri Malvern Kinexus Pro gerilim kontrollü reometre ile karakterize edilmiş ve viskozitenin nanoparçacık hacimsel fraksiyonuna bağlı korelasyon model eşitliği çıkarılmıştır. Isıl iletkenlik katsayısı ise Decagon Devices KD2-Pro ısıl iletkenlik ölçer cihazı ile ölçülmüş ve nanoparçacık hacimsel fraksiyonuna bağlı ısıl iletkenlik korelasyon model eşitlikleri çıkarılmıştır. Bu korelasyon model eşitliklerinin enerji denklikleri içerisine eklenmesiyle Al2O3 nanoparçacığı için genel enerji denklikleri elde edilerek sayısal çözümleme için yüksek dereceden doğruluğa sahip sınırlandırılmış şemaları kullanabilen sonlu hacimler tabanlı akış çözer tasarlanmıştır. Düzgün dörtgen çukur geometride nanoakışkanların doğal konveksiyon ile ısı aktarımı sayısal olarak 4 farklı Ra sayısı ve 5 farklı Al2O3 nanoparçacık hacimsel fraksiyonunda 8 farklı viskozite ve 2 farklı ısıl iletkenlik korelasyon model denklemlerinin kombinasyonu ile oluşturulan 2 durumda incelenmiştir. Birinci durumda 8 farklı viskozite modelinin Maxwell (1881) tarafından önerilen ısıl iletkenlik modeli ile kombinasyonu oluşturulurken, ikinci durumda 8 farklı viskozite modelinin Chandrasekar vd. (2010) tarafından önerilen ısıl iletkenlik modeli ile kombinasyonu oluşturulmuştur. Doğal konveksiyon ile ısı aktarımında sayısal çözüm sonuçları Al2O3 nanoparçacığı hacimsel fraksiyonu % 0 – 5 aralığında ve Ra sayısı 103- 106 aralığında verilmiştir. Farklı modeller ile oluşturulan kombinasyonlarda nanoakışkan viskozite artışı ile nanoparçacık hacimsel fraksiyonu incelenmiş ve Model 1, 2, 3 de artan nanoparçacık hacimsel fraksiyonu ile nanoakışkan viskozite artışında lineer bir ilişki gözlemlenirken, Model 4, 5, 6, 7 ve 8 de lineer olmayan bir ilişki bulunmuştur. Ayrıca Model 5, 6, 7 ve 8 in nanoparçacık hacimsel fraksiyonu artışı ile viskozite artışının diğer modellere göre oldukça yüksek olduğu bulunmuştur. Deneysel olarak Al2O3 – Etilen Glikol (EG) nanoakışkanının sabit kayma hızı değerinde artan nanoparçacık hacimsel fraksiyonu ile kayma viskozitesinin arttığı gözlenmiştir. Yüksek nanoparçacık hacimsel fraksiyonlarında düşük kayma hızı bölgesinde nanoakışkanın viskozitesinin artan kayma hızı ile azaldığı görülmüştür. Doğal konveksiyon ile ısı aktarımında düşük Ra sayılarında değişen modellerde nanoparçacık hacimsel fraksiyonu ile ısı aktarım hızı pek fazla bir değişim göstermemiş fakat yüksek Ra sayılarında değişen modellerde artan nanoparçacık hacimsel fraksiyonu ile ısı aktarım hızındaki değişimler farklılık göstermiştir. Al2O3 - EG nanoakışkanı içeren sistemde doğal konveksiyon ile ısı aktarımını etkileyen birçok parametre incelenmiş ve nanoakışkan viskozitesinin ısı aktarım hızında en etkin parametre olduğuna karar verilmiştir. Ayrıca deneysel olarak bu tez çalışmasında çıkarılmış olan Model 8' den elde edilen sonuçların diğer tüm modellerden daha iyi sonuç verdiği ortaya konulmuştur. Nanoakışkanların hem doğal hem de zorlanmış konveksiyon ile ısı aktarımı üst duvarın soldan sağa doğru belli bir sabit hızda hareket ettiği, diğer duvarların hareketsiz olduğu alt duvarın ısıtıldığı, üst duvarın soğutulduğu ve yan duvarların ise yalıtıldığı düzgün dörtgen çukur geometride incelenmiştir. Sayısal çözümden elde edilen sonuçlar Gr sayısı 103- 105 aralığında, Re sayısı 10 – 100 - 1000 ve nanoparçacık hacimsel fraksiyonu % 0 – 3 ve 5 için Model 2, 6 ve 8' de verilmiştir. Sabit Re sayısında Model 2' de tüm Gr sayılarında ısı aktarım hızının artan nanoparçacık hacimsel fraksiyonu ile arttığı gözlenmiştir. Model 6 ve 8' de ise değişen Gr ve Re sayısı ile ısı aktarım hızının artma ya da azalma gösterdiği ayrıca Model 2, 6 ve 8 de sabit nanoparçacık hacimsel fraksiyonunda azalan Ri sayısı ile ısı aktarım hızının büyük oranda arttığı görülmüştür.