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
- Tez No: 784012
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ERSİN SAYAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 76
Özet
Mevcut çalışmada, düşük basınç düşüşüne sahipken ısı geçişini arttırmada daha yüksek verimlilikleri temel alınarak dairesel, kare ve üçgen kesit olmak üzere üç kesit seçilmiştir. Mevcut çalışmada bu iğne kanatların düzenlenmesi için eklenen iki model (yani C-¸seklinde ve V-¸seklinde), mikrokanal çalışmalarında daha önce çalışılmamış yeni ve özgün bir fikirdir. Ek olarak, daha önce başka araştırmacılarca yapılan deneylere dayanarak nanoakışkan tipi seçilmiştir. Ansys-Fluent ticari kodunda toplamda 72 simülasyon gerçekleştirilmiştir. Ağdan bağımsızlık çalışması (tanımlanan desenlere ve iğne kanat enine kesit türlerine dayalı olarak), mikro kanalın hesaplanan basınç düşüşüne ve ısıtılmış plakanın tahmin edilen ortalama sıcaklığına dayalı olarak yürütülmüştür. Böylece, elde edilen ağ tasarımları, istenen fiziksel büyüklükleri tahmin etmede tatmin edici performansa sahip olanlar arasından derlenilmiştir. Yürütülen analiz için, dikkate alınan akışlardaki çok düşük karakteristik boyutlar nedeniyle laminer akış rejiminin baskın olduğu kabul edilmiş sürekli rejim analizi gerçekleştirilmiştir. Bu analizler için katı ve sıvı katmanlar boyunca farklı konumlardaki sıcaklık değişimini gözlemlemek için enerji denklemi gerekli görülmüştür. Mikrokanal duvarları için malzeme alüminyum ve iş akışkanı su ve nanopartikül karışımıdır. Yeşil grafen bazlı nanoakışkan adlı spesifik nanoakışkanın farklı konsantrasyonlarda uygulanması nedeniyle, nanoakışkanın ısı iletim katsayısı ve dinamik viskozite parametrelerinin yerel sıcaklık değerine göre değiştirildiği Kullanıcı Tanımlı Fonksiyon (User Defined function, UDF) C programlama dilinde yazılmı¸stır. Yerel sıcaklık de˘geri ticari koda dayalı sonlu hacim ayrıkla¸stırma yöntemiyle kar¸sılık gelen hücrenin enerji denklemi çözümlemesiyle sıralı (sequential) olarak elde edilmi¸stir. Kütle, momentum ve enerji korunumu denklemlerinde su bazlı akı¸skanın yo˘gunluk değisimi için polinom modeli programlanılmıştır. Sonuç olarak, suyun yo˘gunlu˘gu yerel sıcaklı˘gın fonksiyonu olarak tanımlanmıştır. Isı akısı sınır ko¸sulu olarak 400000 Wm-2sabit de˘geri kullanılmıştır. Kanalın giri¸si için, hız giri¸si sınır ko¸sulu, çıkı¸s sınırı boyunca basınç sınır ko¸sulu dikkate alınmı¸stır. Bu simülasyonlarda üç farklı hız de˘geri seçilmi¸stir. Hesaplanan parametreler; basınç dü¸sü¸sü, ısıtılan plakanın ortalama sıcaklı˘gı, ısıtılan plakanın minimum sıcaklı˘gı, ısıtılan plakanın maksimum sıcaklı˘gı ve kanal çıkı¸s sıcaklı˘gıdır. Uzaysal ayrıkla¸stırma yöntemi olarak en küçük kareler hücre tabanlı modelin seçildi˘gi bu çalı¸smalarda basınç hız etkile¸simleri için SIMPLE algoritması seçilmi¸stir. Momentum, basınç ve sıcaklık alanları için ikinci dereceden do˘gru rüzgara kar¸sı (upwind) yöntem kullanılmı¸stır. Momentum ve enerji denklemleri için artık de˘gerler için yakınsama kriterleri sırasıyla 10-5 ve 10-6 dir. Yukarıda belirtilen ko¸sullar için, artık de˘gerler önceden tanımlanmı¸s de˘gerlerde yakınsama noktalarına ula¸sana kadar simülasyonlar yürütülmü¸stür. Simülasyonlardan toplanan verilere dayanarak, 72 çalı¸sma durumu için nanoakı¸skanın verilen hızı ve konsantrasyonu için ısı geçi¸s katsayısı, ısıl direnç, sıcaklık da˘gılım homojenli˘gi, ba¸sarım derecesi (FoM) ve pompalama gücü gibi parametreler çıkarılmı¸stır. Sıcaklık homojenlik indeksinin ara¸stırılması için yapılan analizde en dü¸sük de˘ger C-¸sekilli üçgen kesitli pinfinler için elde edilmi¸stir. desen. Buna ek olarak, bu parametrenin artan hava kirlili˘gi ile azaldı˘gı sonucuna varılmı¸stır. hız ve çe¸sitli tanımlanmı¸s konfigürasyonlar için konsantrasyon. Isı transferi için katsayısı parametresi tanımlandı˘gında, ¸su sonuç ortaya çıkmaktadır Nanoakı¸skanların parçacık oranı arttıkça, ısı transfer katsayısı da artar. Ayrıca, akı¸s hızı de˘gerinin artmasıyla, ısı transfer katsayısının de artmaktadır. Test edilen kar¸sıla¸stırmalar arasında, üçgen kesitli pinfin C ¸seklindeki desen ile bu ara¸stırılan parametrenin zirvesine ula¸smı¸stır. Çalı¸sılan bir di˘ger parametre olan termal direnç, tanımlanan parametreler için de˘gerlendirilmi¸stir. partikül fraksiyonunun ve hızının artmasının azalmaya yol açtı˘gı konfigürasyonlar termal direnç. Bu parametreye dayalı olarak yapılan kar¸sıla¸stırmada C-¸sekilli desene sahip üçgen kesitli pinfin en dü¸sük de˘geri elde etti çalı¸sılan di˘ger konfigürasyonlara göre termal direnç. FoM parametresi ısı transferinin iyile¸stirilmesi arasında denge kurmak amacıyla tanımlanmı¸stır. katsayısı ve basınç dü¸sü¸sünde artı¸sa yol açtı˘gı görülmektedir. C-¸sekilli desen için 15 ms−1 sabit tanımlı hızda FoM. Bu V ¸seklindeki desen için de aynı prosedür izlenmi¸stir. Daha yüksek olması FoM'un birlik de˘geri, ısı transfer katsayısında daha yüksek bir büyüme oldu˘gunu ortaya koymu¸stur. saf su ile kar¸sıla¸stırıldı˘gında nanoakı¸skanları içeren durumlar için basınç dü¸sü¸sü çalı¸sma vakaları. Pompalama gücü, parametre gerekli gücü temsil etti˘gi için akı¸skan akı¸sının kanala zorlanması, çe¸sitli konsantrasyonlar olarak de˘gerlendirildi ve Sonuçlar, konsantrasyonların artırılmasıyla, bu parametrelerin viskozite de˘gerini artırması nedeniyle. Elde edilen sonuçlar a¸sa˘gıdaki hususları onaylamı¸stır kare ve dairesel kesitli pinfinler bu de˘gerin en yüksek ve en dü¸sük de˘gerine sahiptir sırasıyla C-¸sekilli desen için parametre. Aynı adımlar a¸sa˘gıdakiler için de uygulandı Pompalama gücünün artmasıyla aynı davranı¸sın görüldü˘gü V-¸sekilli desen de nano parçacıkların arttı˘gı gözlemlenmi¸stir. Ayrıca, genelge ve Kare kesitli pinfinler, C ¸seklindeki patter ile aynı ¸sekilde, en dü¸sük ve sırasıyla en yüksek pompalama gücü. So˘gutucunun ortalama sıcaklı˘gının de˘gi¸simi çalı¸sılması istenen bir ba¸ska parametre olarak plaka, bu de˘gerin en dü¸sük oldu˘gu yerde gerçekle¸stirilmi¸stir. parametresi hem C-¸sekilli hem de V-¸sekilli akı¸s için 45 ms−1 akı¸s hızında elde edilmi¸stir. desen. Bu nedenle, bu hız de˘gerinde konsantrasyonun etkisi ara¸stırılmı¸stır nano partiküllerin konsantrasyonunun arttırılmasıyla elde edildi˘gi sonucuna varılmı¸stır. baskın akı¸skan oldu˘gunda, ortalama sıcaklık de˘geri azalır. En küçük de˘geri için üçgen kesitli pinfinler için ortalama sıcaklık elde edilmi¸stir. C ¸seklinde desen. Son olarak, sıcaklık da˘gılımının kalitesi a¸sa˘gıdaki durumlarda incelenmi¸stir konsantrasyonun arttırılmasıyla, sıcaklık da˘gılımının daha yüksek homojenli˘gi gözlemlendi. Bu sonuca, sıcaklık farkı de˘gerinin daha az olmasına ba˘glı olarak varılmı¸stır daha yüksek oldu˘gu durumlar için aynı de˘gerde 0,15 ms−1 ve 0,45 ms−1 hızlarında nano parçacıkların konsantrasyonu. C ¸seklindeki modelde, sıcaklık dü¸sü¸sü 15 ms−1 akı¸s hızında 4,1 K ve 0,45 ms−1 akı¸s hızında 2,5 K iken, V ¸seklindeki modelde, kare kesitli pinfinlerde, sıcaklık dü¸sü¸sü 15 ms−1 akı¸s hızında 3,8 K ve 0,45 ms−1 akı¸s hızında 2,3 K olmu¸stur.
Özet (Çeviri)
In the current study, three cross-sections including circular, square, and triangular cross sections have been selected based on their higher efficiency in enhancing the heat transfer rate while having low-pressure drop. The two added patterns (namely C-shaped and V-shaped) for the arrangement of these pinfins in the present study, is a novel idea that has not been studied before in microchannel studies. Additionally, the nanofluid type has been chosen based on previously conducted experiments. On the whole 72 simulations have been carried out in ANSYS-Fluent commercial code. The mesh independency study (based on the defined patterns and types of cross sections) was conducted based on the resulting pressure drop of the microchannel and the predicted average temperature of the heated plate. The achieved mesh designs were compiled among these and have satisfactory performance in predicting the desired physical quantities. A steady state analysis was carried out for the conducted analysis where the laminar flow regime was perhaps dominant because of the very low characteristic dimensions in considered flows. Consequently, the laminar flow model was applied. The energy equation for observing the temperature variation at different locations through the solid and liquid layers was requisite for these analyses. The applied material for the microchannel walls was aluminum and water was defined as the main fluid in these investigations. Due to applying the specific nanofluid named green graphene-based nanofluid at different concentrations, the User Defined Function (UDF) was written in C programming language in which the thermal conductivity and the viscosity parameters of nanofluid were varied based on the local temperature value of the corresponding cell in the present finite volume discretization method based commercial code. The polynomial model for density variation of water in mass, momentum, and energy conservation equations is implemented. Consequently, the density of water is defined as the function of the local temperature. The constant value of the 400000 Wm-2 heat flux was defined as the boundary condition in these simulations. For the inlet of the channel, the velocity inlet boundary condition was considered where the pressure outlet was defined along the outlet boundary. Three distinct values of velocity were selected. The parameters which have been calculated in these simulations were pressure drop, mean temperature of the heated plate, minimum temperature of the heated plate, the maximum temperature of the heated plate, and outlet temperature of the channel. The SIMPLE algorithm has been selected as the scheme in these studies where the least square cell-based model was selected as the spatial discretization scheme. The second-order accurate upwind method was defined for the momentum, pressure, and temperature fields, respectively. The residual thresholds for momentum and energy equations were 10-5 and 10-6, respectively. After applying the aforementioned configurations, the simulations were conducted until reaching the convergence point based on the previously defined values of residuals. Based on gathered data from the simulations, the parameters including heat transfer coefficient, thermal resistance, temperature distribution uniformity, Figure of Merit (FoM), and pumping power were extracted for the given velocity and concentration of the nanofluid for the 72 cases of studies. In the analysis conducted for investigating the the temperature uniformity index, the least value was achieved for the triangular cross-sectioned pinfins with C-shaped pattern. Additionally it was concluded that this parameter declines by increasing the velocity and the concentration for various defined configurations. For the heat transfer coefficient parameter which was defined, this conclusion is revealed that by increasing the particle fraction of nanofluids, the heat transfer coefficient enhances. Moreover, It was resulted that by increasing the flow rate value, the heat transfer coefficient increases as well. Among the tested comparison, the triangular cross-sectioned pinfin with the C-shaped pattern has reached the pinnacle of this investigated parameter. Thermal resistance, as another studied parameter, was evaluated for the defined configurations where increasing the particle fraction and velocity lead to reduction of thermal resistance. In the conducted comparison based on this parameter, the triangular cross-sectioned pinfin with C-shaped pattern achieved the least value of thermal resistance with respect to other studied configurations. The FoM parameter was defined in order of making balance between the enhancement of heat transfer coefficient and pressure drop where increasing the concentration lead to enhancement of FoM at constant defined velocity of 15 ms−1 for the C-shaped pattern. The same procedure was followed for the V-shaped pattern as well. Having higher than unity value of FoM revealed the higher growth of heat transfer coefficient over the pressure drop for the cases including the nanofluids in comparison with pure water cases of studies. Pumping power, as the parameter represents the required power of forcing fluid flow into the channel, was evaluated as various concentrations and the results indicated that by increasing the concentrations, this parameters augmented due to enhancing the value of viscosity. The achieved results approved that the square and circular cross-sectioned pinfins possess the highest and lowest value of this parameter for the C-shaped pattern respectively. The same steps was proceeded for V-shaped pattern as well where the same behavior of increasing the pumping power with enhancement of nano particles was observed. Additionally, the circular and square cross-sectioned pinfins, as same as C-shaped patter, possess the lowest and the highest pumping power respectively. Variation of average temperature of heatsink plate as another desired parameter to study was conducted where least value of this parameter was achieved at 45 ms−1 velocity of flow for both C-shaped and V-shaped pattern. Therefore, at this velocity value, the effect of concentration was investigated where it was concluded that by increasing the concentration of nano particles in the dominant fluid, the value of average temperature decreases. The least value of average temperature was achieved for the triangular cross-sectioned pinfins for the C-shaped pattern. Finally, the quality of temperature distribution was studied where by increasing the concentration, the higher uniformity of temperature distribution was observed. This was concluded based on having less value of temperature difference in the same value of 0.15 ms−1 and 0.45 ms−1 velocities for the cases with higher concentration of nano particles. In the C-shaped pattern the temperature decrement of temperature was 4.1 K at 15 ms−1 velocity of flow and 2.5 K at 0.45 ms−1 velocity of flow while for the V-shaped pattern, in the square cross-sectioned pinfins, the decrement of temperate was 3.8 K at 15 ms−1 velocity of flow and 2.3 K at 0.45 ms−1 velocity of flow.
Benzer Tezler
- Failure criteria for functionally graded materials and application of GTN model using finite elements
Özellikleri fonksiyonel olarak değişen malzemeler için hasar kriterleri ve GTN modelinin sonlu elemanlar kullanılarak uygulanması
ALPAY ORAL
Doktora
İngilizce
2010
Makine MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜNAY ANLAŞ
- Numerical study of water droplet dynamics in proton exchange membrane fuel cells
Başlık çevirisi yok
ENES ASLAN
- Siklon çıkış boru çapının siklon verimliliğine etkisinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi
Numerical and experimental study of the effect of cyclone's outlet pipe diameter on the cyclone efficiency
HALİL İBRAHİM EROL
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OĞUZ TURGUT
- Experimental and numerical study of spring-in angle in corner shaped composite parts
Köşeli geometriye sahip kompozit parçalarda oluşan geri yaylanmanın deneysel ve nümerik olarak incelenmesi
KEREM FURKAN ÇİÇEK
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MERVE ERDAL ERDOĞMUŞ
PROF. DR. ALTAN KAYRAN
- Experimental and numerical study of the tool-part interaction in autoclaved composite parts
Otoklav ile üretilen parçalarda kalıp parça etkileşiminin deneysel ve numerik çalışmalar ile incelenmesi
ONUR YÜKSEL
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Makine MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NURİ BÜLENT ERSOY