Computation of thermal conductivity in nanofluids
Nanoakışkanlarda ısı iletkenliği hesaplamaları
- Tez No: 776682
- Danışmanlar: DOÇ. DR. CEM ÖZGÜR SERVANTİE
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Science and Technology, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 71
Özet
Sıvılar, ısıtma ve soğutma sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Sıvıların bu alanlardada verimliliğini artırma yaklaşımları günümüzde araştırmacıların temel amacıdır. Nanoakışkan, yeni termik akışkan, sıvının içinde nano boyutta parçacık olması durumuna denir. Mikro boyutlu parçacıklar içeren sıvılardan ziyade nano boyutlu parçacıklar içeren sıvılar daha kararlıdır. Çünkü mikro boyutlu parçacıklar çökelme ve tortulaşma gibi sorunlara neden olabiliyor. Nanoakışkanlar, çeşitli ısı transfer uygulamalarında ısı transfer sıvılarının geleceği olarak düşünülebilir. Nanoakışkan üretiminde genellikle kullanılan nanoparçacıklar metaller, oksitler, karbon nanotüpler vb iken genellikle kullanılan sıvılar argon, su, etilen glikol, yağ vb dir. Yüksek termal iletkenliğe sahip asılı nanoparçacıkların varlığı nedeniyle ve nano boyutta yaptıkları titreşim hareketiyle ve çevresindeki sıvı moleküllerinde oluşturduğu hareket sayesinde geleneksel akışkanlardan daha iyi termal performans göstermeleri beklenir. Spesifik termofiziksel özellikler elde etmek için nanoakışkanlar hakkında yapılan son çalışmalar, termal iletkenliği etkileyen çeşitli faktörlerin daha iyi anlaşılmasına duyulan ihtiyacın artmasına neden oldu. Termal iletkenlik, nanoparçacıkların boyutu, nanoparçacığın maddesi, nanoparçacıkların şeklinin tipi, nanoparçacıkların hacim oranı ve sıvının özellikleri gibi çeşitli parametrelere bağlıdır. Bu parametreler termal iletkenliği artırabilir veya azaltabilir. Nanoakışkanların kullanım alanları yüksek ısı iletkenlikleri ve bu durumun arkasındaki fiziğin daha iyi anlaşılmasından dolayı yüksek ısı akılı yüzeylerden olan ısı transferi uygulamalarında olmak üzere, otomotiv sanayii, elektronik cihazların ekranları, bilgisayarlar ve buzdolapları sıralanabilir. Nanoakışkanlar literatürde deneysel ve empirik olarak çalışılmasından ziyade nümerik şekilde de çalışılmıştır. Nanoakışkanın üretim ve finansal zorluğu literatürdeki deneyler arasındaki uyuşmazlık ve kullanılan deneysel tekniklerin çeşitliliği gibi sebepler nedeniyle nümerik çalışmalar daha da yaygınlaşmıştır. Moleküler dinamik (MD) simülasyon, istatistiksel mekaniğe dayalı bir bilgisayar simülasyon yöntemidir. Hem katı hem de sıvı atomlar arasındaki atomik seviye etkileşimlerini gözlemleyerek katıların ve sıvıların statik ve dinamik özellikleri hakkında bilgi almak için moleküler dinamik simülasyonu kullanılabilir. Moleküler dinamik simülasyonu ile her seferinde moleküler konum ve momentum hakkında bilgi sahibi olabiliriz, ayrıca nanoparçacıkların şekli kontrol edilebilir. Moleküler dinamik simulasyonun çalışma prensibi, verilen başlangıç konumları ve başlangıç hızları ile, diğer tüm atomlar tarafından her bir atom üzerindeki kuvveti hesaplayabiliriz. Sonra Newton'un ikinci hareket yasasını kullanarak atomların konumlarını ve hızlarını güncelleyebiliriz. Zaman artırılır ve istenen zamana ulaşılana kadar kuvvetler hesaplanarak döngü tekrarlanır. Moleküler dinamik simulasyon, nanoakışkanların termal iletkenliğini değerlendirmek için kullanışlı bir araçtır. Tıpkı deneysel çalışsmalardaki gibi, önce N parçacık içeren model sistem seçilir ve örnek hazırlanır. Daha sonrasında termal dengeye ulaşan sistemin ölçümleri alınır. Bu çalışmada denge durumundaki nanoakışkanın termal iletlenlik katsayısı hesaplanmaktadır. Termal iletkenlik Fourier Yasası ile ifade edilir. Termal iletkenliği ölçmek için en yaygın kullanılan yöntem, denge moleküler dinamik simülasyon yöntemidir. Denge moleküler dinamik simulasyon yönteminde Green-Kubo ilişkisi kullanılır. Green-Kubo yöntemi mikroskopik ısı akısının zaman oto-korelasyon fonksiyonun integraline dayanır. Diğer en yaygın kullanılan yöntemlerden biri ise, ya sınırları değiştirerek bir sisteme sıcaklık gradyanı empoze ederek ya da termal kuvvet denen şeyi kullanarak denge dışı moleküler dinamik simülasyonlardır. Bu tez çalışmasında, metalik nanoparçacıkların hacimsel katkısının termal iletlenliğe etkisi baz sıvının termal iletkenliği ile karşılaştırılarak değerlendimek için moleküler dinamik simülasyon yöntemleri kullanıldı. Baz akışkan olarak Lennard Jones akışkanı modellenmiştir. Farklı hacimsel katkılardaki 4 nanoakışkan modeli için toplam 4 farklı set hazırlanmış ve denge konumuna getirebilmek için her bir set ilk olarak 10^6 adım çalıştırılmıştır. Bu setler tek nanoparçacık için 0.3%, 10 nanoparçacık icin 3%, 20 nanoparçacık için 6%, 30 nanoparçacık için 9% hacim katkısına sahiptir. Sıvı-sıvı, sıvı-nanoparçacık ve nanoparçacık-nanoparçacık etkileşimleri için Lennard-Jones potansiyeli kullanılırken, metalik nanoparçacıklardaki atomlar arası etkileşimler için ise kuantum düzeltmeli Sutton-Chen (Q-SC) potansiyeli kullanıldı. Metaller ve alaşımlar için, Sutton-Chen potansiyeli en yaygın kullanılan potansiyellerden biridir. Simulasyon boyunca toplam atom sayısı, sistemin hacmi ve sistemin toplam enerjisinin korunduğu mikrokanonik kümede çalışılmıştır. Atomların konumlarını belirleyebilmek için Velocity Verlet algoritması kullanılmıştır. Metalik nanoparçacıklara sahip farklı hacim katkılarındaki nanoakışkanların ısıl iletkenliği, üç farklı yöntem kullanılarak hesaplanmıştır. Bu yöntemler denge moleküler dinamik simülasyon, hız değişim yöntemi ve çift termostat yöntemi olmak üzere farklı hacim katkılarındaki nanoakışkanların ısıl iletkenliği hesaplanmıştır. Aynı zamanda baz sıvının ısıl iletkenliği de hesaplanmıştır ve baz sıvının termal iletkenliği nanoakışkanların termal iletkenliği ile karşılaştırılmıştır. Çift termostat yönteminde iki farklı dinlenme süresi kullanılarak farklı hacim katkılarındaki nanoakışkanların termal iletkenliği hesaplanmıştır. Bu yöntemde enerji korunmamıştır. İki farklı dinlenme süresi için de sonuçlar \% 0.3 hacim katkısındaki nanoakışkan için termal iletkenliğin arttığını göstermiştir. Ama daha büyük hacim kakısındaki nanoakışkanların ısıl iletkenliğinde artış gözükmemiş hatta düşüş gözlemlenmiştir. Hız değişim yönteminde üç farklı dinlenme zamanı kullanılmıştır. Bu yöntemde enerji ve momentum korunmuştur. İki dinlenme zamanı için \%0.3 hacim katkısındaki nanoakışkanın termal iletkenliğinde yükselme gözlenirken diğer dinlenme zamanı için gözlemlenememiştir. Denge moleküler simülasyon yöntemiyle baz sıvı, $0.3\%$ hacim katkısındaki nanoakışkanın ve 9% hacim katkısındaki nanoakışkanın termal iletkenliği hesaplanmıştır. Bu yöntemde bulduğumuz sonuçlar ise çift termostat yöntemi ve hız değişim yönteminde bulduğumuz sonuçlar ile çelişmektedir. Denge moleküler simülasyon yönteminde, \%0.3 ve \%9 hacim katkılarındaki nanoakışkanların termal iletkenliğinde artış gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Molecular dynamics simulation is a popular computational technique that is widely used to simulate and investigate thermophysical properties of nanofluids. Molecular dynamics is frequently used in chemical physics, materials science, and molecular-scale modeling because it offers an atomistic level understanding of the equation of transport coefficient. The most common method is with the use of the Green-Kubo relation, with equilibrium molecular dynamics. The other well known method is by non-equilibrium simulations by either imposing a gradient of temperature by modifying the boundaries or by the use of the so-called thermal force. Experiments suggest nanofluids have enhanced heat transfer coefficient compared to the base fluid. That make nanofluids beneficial in a wide range of industrial and home heat transfer applications, including as engine cooling and vehicle thermal management, fuel cells, microelectronics, heat exchangers in boilers and refrigerators, and solar water heaters. In this thesis we evalute the thermal conductivity of a nanofluid with different molecular dynamics methods. The simulations run under the NVE conditions, for which the total atom number, total volume, and total energy are constant. Using the cell list approach, we create neighbor lists to increase computing efficiency. The Velocity Verlet technique is then used to integrate the equations of motion with a time step of 0.001. Since they are both conserved quantities, the total energy E and the total momentum P are computed to test the code. Throughout all of the simulations, the temperature and density of box are taken to be 0.722 and 0.8442 in dimensionless units, respectively. For the fluid-fluid, fluid-nanoparticle, and nanoparticle-nanoparticle interactions the Lennard-Jones potential is used while for the interatomic interactions in the nanoparticles we used the quantum corrected Sutton-Chen (Q-SC) many body potential. The volume fraction of the nanoparticles is varied from 0.3% to 9%. We used two different reverse non-equilibrium molecular dynamics (rNEMD) methods to evaluate the thermal conductivity of the nanofluid. Namely, the velocity exchange method and dual thermostat method. In the velocity exchange method the total energy and linear momentum are conserved while for the dual thermostat method the total energy and linear momentum are not conserved. The difference between rNEMD methods and the traditional non-equilibrium (NEMD) methods is that a heat flux is imposed on the system and then the temperature gradient is measured. This has two main advantages, first of all the heat flux is not well defined for systems with many-body interactions, secondly when one imposes a temperature gradient by modifying the periodic boundaries, this results in surface effects. However, for the rNEMD simulations the heat flux is imposed by unphysical means, and one must be careful in the interpretation of the results. The velocity exchange method and dual thermostat method results show that for a volume fraction of 0.3% of nanoparticles the thermal conductivity slightly increased while for larger volume fractions the thermal conductivity decreases.
Benzer Tezler
- Dalgalı duvara sahip kapalı kavite içerisinde bulunan nanoakışkanın konveksiyonla ısı transferinin incelenmesi
Analysing of heat transfer with natural convection of nanofluid in a cavity with wavy walls
METİN AKYOL
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ELİF ÖĞÜT
- Time dependent computation of thermal stresses in elastic-plastic tubes
Elastik-plastik tüp içindeki termik gerilimlerin zamana bağımlı çözümleri
ÖZGÜR SÖNMEZER
Yüksek Lisans
İngilizce
2000
Mühendislik BilimleriOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. AHMET ERASLAN
- Soğutucu akışkan-hava ile çalışan ısı değiştiricilerinin teorik ve deneysel incelenmesi
Theoretical and experimental investigation of heat exchangers working with refrigerant-air
MELİK ZİYA YAKUT
Yüksek Lisans
Türkçe
2007
Makine MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiMakine Eğitimi Ana Bilim Dalı
Y.DOÇ.DR. REŞAT SELBAŞ
- Sonlu elemanlar metodu yardımıyla nokta direnç kaynağının soğuma analizi
The finite element modeling of the thermal distribution obtained resistance spot welding results
LÜTFİYE ÇEBİ
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT VURAL
- Sonlu elemanlar metodu yardımıyla cam işleme prosesinin ısıl analizi
The Thermal analysis of glass forming process by finite elements method
R.ONUR GÜNDÜZ