Simulation of laminar microchannel flows with realistic 3D surface roughness
Gerçekçi 3B yüzey pürüzlülüğüyle mikrokanallarda laminar akış simulasyonu
- Tez No: 595544
- Danışmanlar: DOÇ. DR. CÜNEYT SERT
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 141
Özet
Gelişmekte olan akışın ve yüzey pürüzlülüğünün, mikrokanallar içindeki laminar sıvı akışların basınç düşüşü karakterlerine olan etkisi OpenFOAM yardımıyla nümerik olarak incelenecektir. 500 μm× 500 μm kare profile ve 80 mm uzunluğa sahip kanallar çalışılmıştır. Birbirinden farklı 8 yüzey pürüzlülüğü elde etmek için kanalların üst yüzeyleri uzaysal frekans metodu kullanılarak, suni pürüzlendirilmiştir. Her profilin bağıl yüzey pürüzlülüğü (𝜀) değerlerini üç farklı değere (%1.0, 2.5 and 5.0) ölçeklendirerek, toplamda 24 adet durum 100-1500 Reynolds sayısı arasında simule edilmiştir. Sonuçlar genellikle baskın Poiseuille sayısının (Poapp) Reynolds sayısına (Re) göre değişimi olarak verilmiştir. Akış alanları, hız büyüklüğü kontorları ve akış çizgileri kullanılarak çeşitli kesitlerde incelenmiş ve akış gelişimi anlaşılmaya çalışmıştır. %1 bağıl yüzey pürüzlülüğüne sahip yüzeylerde, 𝜀 değerinin sadece basınç düşüşünü tanımlamak için kullanılan bir parameter olduğunu ve onun haricindeki yüzey pürüzlülüğü parametrelerinin akış alanını önemli bir şekilde etkilemediği gözlemlenmiştir. Bütün 𝜀= %1 durumları için Poapp – Re değişimleri pürüzsüz kanal teorisiyle aynı davranışa sahip olup, maksimum deviasyon Re = 100'de %3 ve Re = 1500'de %7 olarak gözlemlenmiştir. Bunula birlikte, 𝜀= %2.5 ve %5 durumları için, sadece 𝜀 parametresi yüzey pürüzlülüğünün basınç düşüşüne olan etkisini açıklamak için yeterli değildir. Her ne kadar bazı yüzey pürüzlülüğü değerleri, pürüzsüz kanal teorisyle benzer Poapp – Re değişimine sahip olsa da, geri kalan profiller teoriden çok farklı davranışlar sergileyip, yükselen Re sayısıyla beraber deviasyon miktarlarını da arttırmışlardır. Re = 1500'deki 𝜀= %2.5 durumunda, yüzey profiline bağlı olmak üzere, Poapp değeri pürüzsüz kanal teorisinden %15 kadar düşük ya da %55 kadar yüksek sapmalar gösterebilir. Bu sayılar, 𝜀= %5 vakalarında %37 ve %151 miktarlarına yükselmiştir. Mikrokanallarda basınç düşüşü ile ilgili literatürde görülen yanlış anlamaların ve çelişkili sonuçların, pürüzlülüğün tek tanımlayıcı parametresi olarak göreceli yüzey pürüzlülüğü kullanımı veya tamamiyle yüzey pürüzlülüğünün etkilerini ihmal etmek olabileceği sonucuna varılmıştır. Ancak, bu tür ihmalleri bağıl yüzey pürüzlülüğü %1'den büyük değerler için yapmak uygun değildir. Zirve sayısı ve profilin dalgalılığı gibi parametreler de incelenmeli ve raporlanmadılır.
Özet (Çeviri)
Effects of flow development and surface roughness on the pressure drop characteristics of laminar liquid flows inside microchannels are investigated numerically using OpenFOAM. Channels with square cross section of 500 μm× 500 μm and length of 80 mm are studied. Top surface of the channels are artificially roughened using the spatial frequency method to create 8 different roughness profiles. Scaling the relative roughness (𝜀) values of each profile to three different values (1.0, 2.5 and 5.0 %), a total of 24 cases are simulated in the Reynolds number range of 100-1500. Results are presented mainly as the variation of the apparent Poiseuille number (Poapp) with Reynolds number (Re). Flow fields are examined by considering velocity magnitude contours at different cross sections to understand the flow development effects, as well as streamlines. For 1% relative roughness, it is seen that 𝜀 is a representative parameter to understand the pressure drop behavior and other roughness characteristics do not affect the flow field considerably. All 𝜀= 1% cases show Poapp – Re variations that have the same behavior as that of the smooth channel theory, with maximum deviations being 3% at Re = 100 and 7% at Re = 1500. However, for 𝜀= 2.5% and 5% cases, 𝜀 is no longer enough to explain the effect of surface roughness on pressure drop. Although certain roughness profiles provide Poapp – Re variations that are similar to that of the smooth channel theory, other profiles resulted in completely different behaviors with deviations increasing with Re. It is seen that for 𝜀= 2.5% Re = 1500, depending on the surface profile, Poapp can deviate from the smooth theory as low as 15% and as high as 55%. These numbers increased to 37% and 151% for 𝜀=5% cases. It is concluded that the misunderstandings and the conflicting results seen in the literature about pressure drop in microchannels can be related to the use of relative surface roughness as the only defining parameter of roughness or even completely omitting roughness effects, which is clearly not the case for relative surface roughness values higher than 1%. Other parameters such as number of peaks and waviness also need to be considered and reported.
Benzer Tezler
- Direct numerical simulation of liquid flow in a horizontal microchannel
Sıvı akışkanların düzlemsel mikro kanalda doğrudan sayısal simülasyonu
CENK EVREN KÜKRER
Yüksek Lisans
İngilizce
2005
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Bölümü
Y.DOÇ.DR. İLKER TARI
- Design and simulation of micromixers for efficient antigen-antibody binding
Verimli antijen-antikor bağlanması için mikrokarıştırıcıların tasarımı ve simülasyonu
SİMGE NAZ ERTEMÜR
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN KIZIL
- Mikrokanallarda basınç düşümü, cidar kayma gerilmesi ve partikül fokuslanmasının sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of pressure drop, shear stress and particle focusing in microchannels
UFUK DEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN GÜNEŞ
- MPI görüntüleme tekniğinin FEM yöntemi ile analizi ve mikrokanallardaki akışın görüntülenmesi
Analysis of MPI imaging technique with FEMmethod and viewing flow in microchannels
IŞIL ÜNAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FEVZİ BEDİR
DOÇ. DR. NURCAN DOĞAN BİNGÖLBALİ
- Numerical study of implemented eco-friendly nanofluid in the pinfin-equipped heatsinks with novel C-shaped and V-shaped patterns
Yeni C-şekilli ve V- şekilli desenlere sahip iğne-kanat donanımlı soğutucularda uygulanan çevre dostu nanoakışkanın sayısal incelenmesi
FARNAZ NOJAVAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERSİN SAYAR