Geri Dön

Molecular dynamics study of the thermal conductivity in nanofluids

Nanoakışkanlarda termal iletkenliğin moleküler dinamik hesaplamaları

PDF İndir

  1. Tez No: 472828
  2. Yazar: İREM TOPAL
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. CEM ÖZGÜR SERVANTİE
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2017
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 69

Özet

Termal sistemlerin geli ̧smesi ile birlikte enerjinin etkin ve verimli kullanılması üzerine yapılan çalı ̧smalar yo ̆gunluk kazanmı ̧stır. Endüstrinin hemen her alanında kullanılan elektronik cihazların performanslarına paralel olarak ürettikleri ısı artmakta ve bu ısıyı sistemden uzakla ̧stıran so ̆gutma sistemlerinin iyile ̧stirilmesi önemli bir problem olarak ortaya konmaktadır. Nanometre mertebesinde metalik veya metalik olmayan katı parçacıklar içeren kararlı akı ̧skan karı ̧sımları nanoakı ̧skan olarak adlandırılır. Nanoteknolojinin bu denli ilerlemesinden önce ço ̆gunlukla mikron mertebesinde parçacıklar içeren akı ̧skanlar çalı ̧sılıyordu ancak bu parçacıklar büyüklükleri sebebiyle çökelme, tortula ̧sma ve a ̧sınma gibi problemlere sebep oluyordu ve bu durum mühendislik uygulamalarında tehlikelere yol açıyordu. Nanometre mertebesinde parçacıkların üretilebilmesi ve çalı ̧sılabilmesi sonucu yayımlanan çalı ̧smalar bu kolloid süspansiyonların ısıl iletkenliklerinin geleneksel ısı transferi akı ̧skanlarına göre daha yüksek oldu ̆gunu gösterdi. Bu ısı transferini iyile ̧stiren performansları sayesinde nanoakı ̧skanlar on yılı a ̧skın bir süredir mühendislik uygulamalarında oldukça geni ̧s bir yelpazede çalı ̧sılmaktadır. Nanoakı ̧skanların artan ısıl iletkenliklerinden ve bu durumun arkasındaki fizi ̆gin daha iyi anla ̧sılmasından yararlanan alanlar ba ̧slıca otomotiv sanayii, elektronik cihazların ekranları, geli ̧smi ̧s minyatür kamera lensleri, ki ̧sisel bilgisayarlar, buzdolapları ve e ̧sanjörler olarak sıralanabilir. Literatürde deneysel ve ampirik çalı ̧smaların yanı sıra, nanoölçekteki enerji ta ̧sınımının temel mekanizmasını anlamayı amaçlayan nümerik nanoakı ̧skan çalı ̧s- maları da vardır. Ayrıca nanoakı ̧skan üretiminin pratik ve finansal zorlu ̆gu, literatürdeki deneyler arasındaki uyu ̧smazlık ve kullanılan deneysel tekniklerin çe ̧sitlili ̆gi gibi sebepler, nanoakı ̧skanlar hakkında kapsamlı bir nümerik modellemeyi ilgi çekici de kılmaktadır. Bu nanoakı ̧skan çalı ̧smasında da moleküler dinamik metodları ile elde edilen nümerik sonuçlar sunulmaktadır. Moleküler dinamik yöntemi, analitik olarak çözülemeyen çok parçacıklı sistemlerin hareket denklemlerini, klasik fizik yasalarını kullanarak bilgisayar ortamında nümerik metodlarla çözme yöntemidir. Etkile ̧sim potansiyelinden her bir atom üzerine etki eden net kuvvetin bulunması ve atomların belirli bir zaman içindeki yörüngelerinin, Newton'un ikinci hareket yasası ile hesaplanması esasına dayanır. Simülasyonlar sonucunda sistemin tüm termodinamik ve mekanik özellikleri istatistiksel mekanik ba ̆gıntıları ile hesaplanabilir. Tıpkı deneysel çalı ̧smalardaki gibi, önce N parçacık içeren model sistem seçilir ve örnek hazırlanır. Termal dengeye geldikten sonra gereken ölçümler alınır. Bu tip bir moleküler simülasyonda kar ̧sıla ̧sılabilecek, modelin yanlı ̧s hazırlanması, yeterince uzun süre ölçüm alınmaması veya ölçmek istedi ̆gimiz niceli ̆gi ölçmüyor olmak gibi sorunlar deneysel çalı ̧smalardaki gibi hatalara sebep olabilir. Bu çalı ̧smada, tüm parçacıklar arasındaki etkile ̧sim için, moleküler simülasyonlarda en çok kullanılan matematiksel model olan Lennard Jones potansiyeli kullanılmı ̧stır. Etkile ̧sim potansiyeli parametreleri için indirgenmi ̧s moleküler dinamik birimleri kullanılarak, baz akı ̧skan olarak en genel Lennard Jones akı ̧skanı modellemek amaçlanmı ̧stır. Tüm parçacıklar arasındaki etkile ̧sime ek olarak, küresel olarak tasarlanan nanoparçacıkların içindeki kom ̧su atomları arasına FENE potansiyeli uygulanmı ̧stır. Tüm simülasyonlar Lennard Jones akı ̧skanı faz diyagramından yarar- lanılarak önceden belirlenen bir yo ̆gunluk ve sıcaklık de ̆gerinde gerçekle ̧stirilmi ̧stir. Bu de ̆gerler belirlenirken sadece sıvı fazında bir nokta olması dikkate alınmı ̧stır. Simülasyonlar boyunca toplam atom sayısı, sistemin hacmi ve sistemin toplam enerjisinin korundu ̆gu mikrokanonik kümede çalı ̧sılmı ̧stır. Hesaplama zamanını kısaltabilmek, birbirinden çok uzaktaki atomların etkile ̧simini yoksaymak için bir kesme mesafesi verilmi ̧s ve sadece bu mesafe içinde kalan atomlar için kuvvet hesabı yapılmı ̧stır. Atomların yörüngelerini belirleyebilmek için integrasyon algoritması olarak Velocity Verlet kullanılmı ̧stır. Nanoparçacıkların sıvı içinde iyi da ̆gıldı ̆gı bir nanoakı ̧skan elde etmek, topaklanmanın önüne geçmek için farklı nanoparçacıkların atomları arasındaki Lennard-Jones potansiyelinin çekici kısmına hidrofobik bir katsayı eklenmi ̧s ve bu katsayı tüm simülasyonlar boyunca sabit tutulmu ̧stur. Bu katsayı sabit tutulurken, nanoparçacık atomları ile sıvı atomları arasına uygulanan Lennard-Jones potansiyelinin çekici kısmına eklenen ampirik katsayılarla, nanoparçacı ̆gın hidrofilik veya hidrofobik özel- likler kazanması amaçlanmı ̧stır. Bu s ̧ ekilde nanoakı ̧skanın hidrofobik etkile ̧simlerden hidrofilik etkile ̧simlere geçi ̧sinin ısıl iletkenli ̆ge etkisi gözlenmek istenmi ̧stir. Üç farklı katsayı ile modellenen bu etkile ̧simlerin tümünde hacimce %2, %3, %6 ve %10 katkı oranlarında nanoparçacık eklenmi ̧s nanoakı ̧skan kullanılmı ̧s ve nanoparçacıkların hacimsel katkısının ısıl iletkenli ̆ge etkisi ara ̧stırılmı ̧stır. Farklı hacimsel katkılardaki 4 nanoakı ̧skan modeli ve 3 farklı etkile ̧sim potansiyeli için toplam 12 set hazırlanmı ̧s ve simülasyonlar 10 7 adım çalı ̧stırılarak, denge konumları elde edilmi ̧stir. Mikroskopik ısı akısı formülündeki her bir atomun ortalama enerji de ̆geri baz akı ̧skan durumunda tüm atomlar özde ̧s oldu ̆gu için sistemin toplam enerjisi atom sayısına bölünerek hesaplanmı ̧stır. Nanoakı ̧skan modellerinde, di ̆ger bir deyi ̧sle çok bile ̧senli sistemlerde, atomların ortalama enerjileri bu s ̧ ekilde hesaplanamaz. Bile ̧senler bazında ortalama almak da nanoparçacık atomları için yeterince hassas olmayacaktır. Nanoparçacık içinde çok kom ̧susu olan bir atomun üzerindeki toplam kuvvet ile yüzeye yakın az kom ̧sulu bir nanoparçacık atomunun üzerindeki toplam kuvvet farklı olaca ̆gı için, ortalama enerji hesabı etkilenecektir. Bu nedenle, denge konumlarından ba ̧slatılan 10 6 adımlık simülasyonlarla her bir atomun kinetik ve potansiyel enerjilerinin zaman ortalaması alınmı ̧s ve tüm simülasyonlarda bu ortalama enerji de ̆gerleri kullanılmı ̧stır. Mikroskopik ısı akısı hesapları için 5 10 5 dengeleme sonrasında ba ̧slatılan 10 7 adımlık moleküler dinamik simülasyonları çalı ̧stırılmı ̧stır. Ta ̧sınım katsayıları akı ̧skanların dinamik özelliklerindendir ve sistemin zamana ba ̆glı davranı ̧slarını tanımlarlar. Bu çalı ̧smada denge durumundaki nanoakı ̧skanın ısıl iletlenlik katsayısı hesaplanmaktadır. Durgun akı ̧skanlarda ısı geçi ̧si iletim formunda gerçekle ̧sir, dolayısıyla Fourier Yasası ile ifade edilir. Isıl iletlenlik katsayısı sistemin ısıl dalgalanmalarına göre enerjinin nasıl ta ̧sındı ̆gını gösterir. Denge durumundaki moleküler dinamik simülasyonları ile ısıl iletkenlik Green Kubo ba ̆gıntısı ile hesaplanır. Bu çalı ̧smada da, mikroskopik ısı akısının zaman oto-korelasyon fonksiyonunun integraline dayanan bu yöntem ile önce baz akı ̧skanın, daha sonra hacimce %2, %3, %6 ve %10 katkı oranlarında nanoparçacık eklenmi ̧s nanoakı ̧skanların ısıl iletkenli ̆gi de ̆gerlendirilmi ̧stir. Hidrofobik etkile ̧simlerin de ̆gerlendirildi ̆gi simülasyon sonuçlarında nanoparçacık- ların kümelendi ̆gi gözlenmi ̧s olup, iki farklı katsayı ile de ̆gerlendirilen hidrofilik etkile ̧simler ile iyi da ̆gılmı ̧s nanoparçacıklardan olu ̧san nanoakı ̧skanlar elde edilmi ̧stir. Kümelenmenin yanında, hidrofilik durumlar için nanoparçacıklar etrafındaki radyal da ̆gılım fonksiyonları hesaplanarak, nanoparçacık etrafındaki sıvı atomlarından olu ̧san katmanın da ısıl iletkenli ̆ge etkisi ara ̧stırılmı ̧stır. Nanoakı ̧skan modellerinin tümünde kullanılan ampirik katsayıların ısıl iletkenlik katsayısına etkisinin olmadı ̆gı belirlenmi ̧stir. Nanoparçacıkların hacimsel katkısının ısıl iletlenli ̆ge etkisi baz akı ̧skanın ısıl iletkenli ̆gi ile kar ̧sıla ̧stırılarak de ̆gerlendirilmi ̧stir. %2 ve %3 hacimsel katkı oranlarında nanoparçacık içeren nanoakı ̧skanlarda ısıl iletkenli ̆gin yakla ̧sık %10 civarında arttı ̆gı, daha yüksek hacimsel katkılarda ısıl iletkenli ̆gin de ̆gi ̧smedi ̆gi belirlenmi ̧stir. Denge durumu moleküler dinamik simülasyonları ile elde edilen sonuçlar, literatürde kar ̧sıla ̧stırılabilecek deneysel veri olmadı ̆gı için, denge dı ̧sı moleküler dinamik simülasyonları ile elde edilen sonuçlarla do ̆grulanmı ̧stır. ̇Iki yöntemle de bulunan ısıl iletkenlik de ̆gerleri uyumludur.

Özet (Çeviri)

Nanofluids are a new kind of fluid which contain well-dispersed nano-sized solid particles. They tend to have higher thermal conductivity than the bulk fluid in which they are mixed. In this work, the thermal conductivity of the bulk Lennard-Jones fluid and nanofluids at various volume fractions of nanoparticles is computed thanks to equilibrium molecular dynamics (EMD) and non-equilibrium molecular dynamics (NEMD) simulations. The Green-Kubo formalism is used for the EMD simulations while a net heat flux is imposed on the system with a change of the boundary conditions for the NEMD simulations. The interactions inside the nanoparticles, between the fluid atoms, and between nanoparticles and fluid atoms are all taken as a Lennard-Jones potential. An empirical parameter, ζ , is added to the attractive part of the potential to control the hydrophilicity of the nanoparticles. Additionally, bonded atoms of nanoparticles interact with the Finitely Extensible Non-Linear Elastic (FENE) potential. The NVE ensemble is used in the simulations, for which the total number of atoms, the total volume and the total energy are constant. In order to improve the computational efficiency, we construct neighbor lists with the cell list algorithm. The equations of motion are then integrated with the Velocity Verlet algorithm with a time step of 0.001. The total energy E and the total momentum P are computed to check the validity of the code since they are both conserved quantities. Using the Lennard-Jones phase diagram from literature, we choose a phase point corresponding to a liquid state. The temperature and density are taken respectively as 1.1 and 0.7798 in dimensionless units throughout all the simulations. The initial condition of the bulk fluid has a total number of 5000 fluid atoms arranged in a regular FCC lattice. On the other hand, a spherical nanoparticle consisting of 58 atoms is generated and equilibrated in a separate molecular dynamics simulation. The bulk fluid and nanoparticles are mixed to obtain 4 simulation boxes with varying nanoparticle volume fractions of 2%, 3%, 6% and 10%. The hydrophobic parameter of the interaction potential between nanoparticles is fixed to ζ nn = 0.3 for all the simulations in order to prevent flocculation, and thus to have a well dispersed nanofluid. On the other hand, in order to study the effect of hydrophilicity on the thermal conductivity we use three different values of the hydrophilicity parameter of the fluid-nanoparticle interaction, namely ζ n f = 0.5, ζ n f = 1 and ζ n f = 1.5. In total 12 sets of simulations are initially run for 10 7 time steps of equilibration. The resulting coordinates are then used for the calculation of the average kinetic and potential energies of each atom of each species for a further 10 6 time steps. Finally, molecular dynamics simulations for collecting the heat current data are computed during 10 7 time steps. The time auto-correlation function of the heat current and its time integral are calculated in a post-processing program. The results show that the hydrophilicity of the nanoparticles did not have a measurable effect on the thermal conductivity of the nanofluid. Nanofluids with volume fractions of 2% and 3% showed an enhanced thermal conductivity with respect to the bulk fluid. The increase in the thermal conductivity is of approximately 10%. Surprisingly, nanofluids with higher volume fractions did not show any enhancement of the thermal conductivity. The numerical results obtained from EMD are then validated with NEMD simulations.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    503461

    Molecular dynamics study of water-hBN nanofluid

    Su-hBN nanoakışkanlarının molekuler dinamik çalışması

    TOLGA AKINER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Makine MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HAKAN ERTÜRK

    YRD. DOÇ. DR. JEREMY KYLE MASON

  2. Tez No

    543094

    Nanoakışkanlarda doğal taşınımla ısı transferinin sayısal olarak incelenmesi

    Numerical investigation of natural heat convection in nanofluids

    AHMET DİRLİK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYŞE FİLİZ BAYTAŞ

  3. Tez No

    780481

    Numerical simulation of thermal and hydraulic transport of nanofluids in minichannels

    Minikanallarda nanoakışkanların termal ve hidrolik taşınmasının sayısal simülasyonu

    NEVZAT AKKURT

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Makine MühendisliğiUniversity of Wisconsin-Madison

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. Timothy A. Shedd

  4. Tez No

    652703

    Akışkan yatak enerji depolama sistemi hesaplamalı akışkanlar dinamiği modellemesi

    Fluidized bed energy storage system computational fluid dynamics modeling

    MUHAMMED BAHADDİN KOCATAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÜNER ÇOLAK

  5. Tez No

    605493

    Karbon tabanlı yeni hibrit nano-yapıların modellenmesi ve analizi

    Modeling and analysis of carbon based new hybrid nano-structures

    ÜNAL DEĞİRMENCİ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MESUT KIRCA

Geri Dön