Jeffery–hamel flow of a second-grade blood-based ternary nanofluid in a porous medium with slip and temperature jump effects
Kayma ve sıcaklık sıçraması etkileriyle gözenekli ortamda ikinci derece kan bazlı üçlü nanoakışkanın jeffery–hamel akışı
- Tez No: 945077
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ DUYGU ERDEM
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Mechanical Engineering, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 109
Özet
Üçlü hybrid nanoakışkanlar (TNF'ler), mühendislik ve biyomedikal uygulamalarda ısı transferi ve akış davranışını iyileştirme potansiyelleri nedeniyle son yıllarda artan ilgi görmektedir. Özellikle, biyouyumlu nanoparçacıklar (Al2O3, TiO2 ve Ag) içeren kan bazlı TNF'ler, ilaç taşınımı, kanser hipertermisi ve antimikrobiyal tedavi için uyarlanabilir. Bu çalışma, yakınsayan/ıraksayan kanallarda ikinci dereceden Newtonyen olmayan model ile üçlü nanoparçacık içeren, kararlı, sıkıştırılamaz kan akışını ele almaktadır. İkinci dereceden Newtonyen olmayan model, hem küçük hem de büyük damarlarda uygulanabilir oldugu için kullanılmıştır. Kanallar, Darcy olmayan gözenekli ortama gömülüdür ve enine manyetik alana maruz bırakılmıştır. Mikrokanallardaki, biyolojik dokulardaki veya düşük sürtünmeli mühendislik yüzeylerindeki akış için geçerli oldugundan, duvarlardaki hız kayması ve sıcaklık sıçraması etkileri de dikkate alınmıştır. Bu çalışmanın temel amacı, gözeneklilik, manyetizma, kayma hızı, sıcaklık sıçraması ve TNF'lerin varlığının birleşik etkilerinin hız ve sıcaklık profillerini ve ayrıca cidar sürtünme katsayısı ile Nusselt sayısı gibi önemli mühendislik parametrelerini nasıl değiştirdiğini incelemektir. Araştırma, optimize edilmiş ısı ve momentum transferi için geliştirilmiş biyomedikal akış terapileri ve mühendislik kanallarının tasarımına katkı sağlamayı hedeflemektedir. İki rijit plaka, bir merkez çizgisi etrafında simetrik olarak eğimlidir ve bu da yakınsayan veya ıraksayan olabilen yarı açılı (α) bir kanal oluşturur. Kanallar bu çalışmada gözenekli ortama yerleştirilmiştir. Newtonyen olmayan ikinci dereceden bir akışkan modeli, akışkanın (kan) viskoelastik davranışını incelemek için kullanılmıştır. Kan, üstün termofziksel özelliklere sahip bir TNF oluşturmak için Al2O3, TiO2 ve Ag nanoparçacıkları ile karıştırılmıştır. Akış yönüne dik olarak uygulanan harici manyetik alan, akışın etkili kontrolü ve nanoparçacıkların hassas yerleşimi için MHD koşulları oluşturur. Ayrıca, Reynolds sayısı (Re), Hartmann sayısı (Ha), Darcy (Dr1) parametresi, Forchheimer (Dr2) parametresi ve Deborah sayısı (De) gibi boyutsuz parametreler, atalet, manyetik, gözenekli ve elastik etkilerin yanı sıra değişen çalışma koşulları altında akış rejimini yöneten mekanizmaları temsil eder. Kayma hızı, Sv katsayısı ile dahil edilerek duvarlarda kısmi akış kaymasına izin verilir. Sıcaklık sıçraması, JT katsayısı ile düzenlenir ve özellikle mühendislik yüzeylerini içeren uygulamalarda duvar yakınındaki sıcaklık gradyanlarında süreksizliğe olanak tanır. Isı radyasyonu, yüksek sıcaklık veya radyatif durumlar için uygun olan ve lokal ısıtma ile hedeflenen hücre öldürmenin sağlandığı belirli biyomedikal uygulamalarda geçerlilığini koruyan Rosseland yaklaşımı ile dahil edilmiştir. Yönetim denklemleri arasında süreklilik, momentum ve enerji denklemleri bulunur. Momentum denklemleri, ikinci dereceden akışkan elastikiyetini (α1), Darcy–Forchheimer katsayılarını ve MHD için manyetik bir terimi içerir. Enerji denklemi, viskoz dissipasyon, radyatif ısı transferi ve manyetik ortamı hesaba katar ve termal iletkenlik nanoparçacıkların şekil faktörlerini içerir. Dinamik viskozite, saf kandan daha yüksektir çünkü nanoparçacıklar mevcuttur. Ayrıca, küreselden bıçak şekline kadar değişen parçacık şekil faktörleri, iletkenlik yollarını değiştirerek toplam ısı transfer performansını önemli ölçüde etkileyebilir. Bir benzerlik dönüşümü, elde edilen kısmi diferansiyel denklemleri boyutsuz formda birleştirilmiş adi diferansiyel denklemlere indirger ve sınır koşulları hem merkez çizgisini hem de kanal duvarlarını (kayma/sıçrama koşulları) ele alır. Fiziksel parametrelerin etkisini incelemek amacıyla elde edilen adi diferansiyel denklemler, Re ve Ha sayıları gibi boyutsuz sayılara baglı olarak ifade edilir. Ayrıca, nanoparçacıkların akış üzerindeki etkilerini gözlemleyebilmek için boyutsuz sayılar baz akışkana, yani kana göre tanımlanır. Adi diferansiyel denklemler baz akışkana göre yazıldığında, denklemde nanoakışkan ile baz akışkan arasındaki ilişkiyi gösteren oranlar ortaya çıkar. Bu oranlar, tablolarda verilen korelasyonlar aracılığıyla hesaplanır. Aynı işlem sınır koşulları için de geçerlidir. Hız ve sıcaklık profllerini elde etmek için, sonlu fark kolokasyon şeması kullanan MATLAB'ın bvp4c çözücüsü kullanılmıştır. Başlangıç tahminleri sınırlı senaryolara dayanır ve yakınsama testleri, ağ iyileştirmesinin sonuçları değiştirmediğini garanti eder. Yaygın olarak kabul görmüş Jeffrey–Hamel akışı ve gözenekli akış kıyaslamaları ile doğrulama karşılaştırmaları, sayısal sürecin doğruluğunu ve güvenilirliğini teyit eder ve optimize ilaç taşınımı, kanser hipertermisi veya minyatür akışkan cihazlarda gelişmiş termal yönetim için kapsamlı parametrik çalışmalara olanak tanır. Farklı fiziksel parametrelerin etkileri incelenirken, öncelikle bazı sabit referans değerler belirlenmiştir. Mühendislik parametreleri, hız ve sıcaklık dağılımları analiz edilirken, incelenen parametre farklı değerlerde ele alınmış, diğer tüm fiziksel parametreler sabit tutulmuştur. Fiziksel parametrelerin cidar sürtünme katsayısı ve Nusselt sayısı üzerindeki etkisini detaylı analiz edebilmek için parametreler daha geniş bir aralıkta incelenmiştir. Parametrik çalışmamız, çok düşük Reynolds sayılarında (Re = 1), ıraksayan ve yakınsayan kanalların, kanal yarı açısı arttıkça haff bir hızlanma ile neredeyse özdeş hız profilleri sergilediğini ortaya koymuştur. Büyük Darcy ve Forchheimer değerleri için Re 50'ye yükseltildiğinde, ıraksayan kanallar daha detaylı bir hız profli sergilerken, yakınsayan kanallarda gözenekli ortam sürtünmesinin artması nedeniyle akış azalır. Düşük Reynolds sayılarında, daralan ve genişleyen kanallarda benzer hız profillerinin elde edilmesinin nedeni, bu kanal tiplerinin karakteristik etkilerini düşük Reynolds sayılarında yeterince gösterememeleridir. Ancak Reynolds sayısı arttıkça, kanallar kendi karakteristik özelliklerini daha belirgin bir şekilde göstermeye başlar ve bu nedenle iki kanal tipi için farklı hız ve sıcaklık proflleri elde edilir. Deborah sayısından kaynaklanan Newtonyen olmayan akış etkisi, özellikle düşük Reynolds sayılarında hem sıcaklık hem de hız dağılımlarında küçük ancak belirgin değişikliklere neden olmaktadır. Düşük Reynolds sayısında, Deborah sayısının etkisi sıcaklık değerlerinde maksimum %9'luk bir sapmaya yol açarken, yüksek Reynolds sayısında bu sapma yalnızca %0.5 düzeyindedir. Bu sonuçlara göre, daralan ve genişleyen kanal akışlarında yüksek Reynolds sayılarında Newtonyen akışkan yaklaşımının kullanılması uygun kabul edilebilir. Ancak, düşük Reynolds sayılarında Newtonyen yaklaşımın tercih edilmesi ciddi hatalara neden olabilir. Bu nedenle, söz konusu Reynolds sayılarında farklı Newtonyen olmayan akışkan modellerinin kullanılması gerekmektedir. Sıcaklık proflleri de Re'ye oldukça baglıdır ve düşük-Re akışları, yakınsayan ve ıraksayan şekiller arasındaki geometrik farklılıkları gizleyerek çok daha yüksek termal değerler oluşturur. Iraksayan kanallarda artan Darcy veya Forchheimer parametreleri, artan dissipasyon nedeniyle sıcaklıkları yükseltir, ancak etki yakınsayan kanallarda tersinedir. Duvardaki kayma durumu akışkanın akmasına karşı olan direnci kırar ve akışkanın duvara yakın bölgede daha rahat akmasını sağlar. Kayma olmayan sınır şartı altında, duvarda akma gerçekleşmediği için akışa karşı daha fazla direnç oluşur. Bu nedenle, en yüksek cidar sürtünmesi bu durumda meydana gelir. Artan kayma katsayıları, duvar kayma gerilimini azaltır ancak Re'ye bağlı olarak pik sıcaklıkları artırabilir veya azaltabilir ve yüksek sıcaklık sıçrama katsayısı, ısı transferini artıran daha hızlı yükselen termal gradyanlar oluşturur. Nanoparçacık geometrisinin ısı iletkenliği üzerinde yüksek bir etkisi oldugu için, sıcaklık dağılımı üzerindeki etkisi 5 farklı geometri ile incelendi. Ek olarak, nanoparçacık geometrisi, momentum denklemi içinde yer alan manyetik terimdeki elektrik iletkenliğiyle ilişkilidir. Bu nedenle, nanoparçacık geometrisinin hız dağılımı üzerindeki etkisi de incelendi. Farklı geometriler için farklı şekil faktörleri kullanıldı. Nanoparçacık şekil faktörünün hız üzerinde küçük ancak sıcaklık üzerinde önemli bir etkisi vardır; artan şekil faktörleri daha yüksek termal iletkenliğe katkıda bulunur. Nanoparçacık alanının (veya hacim oranının) artması, ısıl iletkenliği ve dinamik viskoziteyi artırır. Bu artışa bağlı olarak, cidar sürtünme katsayısı ile daralan ve genişleyen kanallarda gerçekleşen ısı transferi de artar. Aynı zamanda, radyasyon parametreleri kayıplar yoluyla toplam sıcaklıkları düşürür ve Brinkman sayısı, dissipasyon kaynaklı ısınmanın artması nedeniyle sıcaklığı yükseltir. Eşzamanlı olarak, artan manyetik alanlar ve nanoparçacık hacim oranları, duvar kayma gerilimini ve ısı transferini artırır, bu da yakınsak/ıraksak kanallarda akış ve termal kontrol için potansiyel bir yöntem oldugunu gösterir. Hesaplamalı çalışmamız, Forchheimer ve Darcy parametrelerinin yakınsayan ve ıraksayan kanallardaki hız ve sıcaklık alanlarını büyük ölçüde değiştirmediğini göstermiştir: daha yüksek değerler, ıraksayan kanallarda akış hızını ve sıcaklığı artırır, ancak yakınsayan kanallarda tersi bir eğilim oluşturur. Nispeten küçük ikinci dereceden (Newtonyen olmayan) etkiler, düşükten yüksek Reynolds sayılarına kadar hız profllerinde birkaç yüzdelik sapma sağlar, bu nedenle her iki geometri için akışkan elastikiyet etkilerini gösterir. Kayma hızı sınır koşulları, cidar sürtünme katsayısını önemli ölçüde azaltırken, duvar sıcaklık sıçraması yerel termal gradyanı iyileştirerek ısı transferini önemli ölçüde artırır. Parçacık geometrisi, sıcaklık üzerinde büyük bir etkiye sahiptir ancak hız üzerinde etkisi yoktur; termal iletkenlik, şekil faktörleri arttıkça yükselir. Manyetik alandaki artış, duvar sürtünmesini ve ısı transferini artırarak akışkan akışı ve sıcaklık profllerinin kontrolü için temel bir yöntem sunar. Bu sonuçlar, yakınsak/ıraksak kanallarda termal ve hidrodinamik performansı maksimize etmek için aynı anda gözenekli ortam özelliklerinin, Newtonyen olmayan akışkanın elastikiyetinin, kayma/sıçrama sınırlarının ve nanoparçacık özelliklerinin dikkate alınması gerektiğini vurgulamaktadır.
Özet (Çeviri)
Ternary hybrid nanofluids (TNFs) have gained growing interest in recent years because of their potential to enhance heat transfer and fluid flow behavior in a wide range of engineering and biomedical applications. In particular, blood-based TNFs with biocompatible nanoparticles (Al2O3, TiO2, and Ag) can be tailored for drug delivery, cancer hyperthermia, and anti-microbial therapy. This study discusses steady, incompressible blood flow with a ternary nanoparticle suspension with the second-grade non-Newtonian model in converging/diverging channels. The second-grade non-Newtonian model has been employed because it is applicable in both small and large vessels. The channels are embedded in a non-Darcy porous medium and are further exposed to a transverse magnetic field. Velocity slip and temperature jump effects at the walls are also considered since such boundary conditions apply to flow in microchannels, biological tissues, or low-friction engineered surfaces. The overall objective of this research is to investigate how the combined impacts of porosity, magnetism, slip-velocity, temperature jump, and the existence of TNFs alter velocity and temperature profiles, as well as significant engineering parameters like skin friction coefficient and Nusselt number. The research aims to contribute to the design of improved biomedical fluid therapies and engineered channels for optimized heat and momentum transfer. Two rigid plates are symmetrically inclined about a centerline, which creates a channel of half-opening angle (α) that can either be converging or diverging. The channels are placed in the porous medium in this study. The base fluid, blood, which is a second-grade non-Newtonian fluid, is used to examine the viscoelastic behavior of the fluid. The blood is blended with Al2O3, TiO2, and Ag nanoparticles to form a TNF with superior thermophysical properties. An external magnetic field is implemented crosswise to the direction of flow, creating MHD conditions for effective control of the flow and accurate placement of the nanoparticles. Also, the different dimensionless parameters such as the Reynolds number (Re), Hartmann number (Ha), the Darcy (Dr1) parameter, Forchheimer (Dr2) parameter, and the Deborah number (De) represent the influence of inertial, magnetic, porous, and elastic effects, as well as the mechanisms governing the flow regime under varying operating conditions. Slip-velocity is included through a coefficient Sv, enabling partial fluid slip on walls. Temperature jump is regulated through a coefficient JT, enabling discontinuity in near-wall temperature gradients, particularly useful in applications involving engineered surfaces. Heat radiation is included through the Rosseland approximation, which is applicable for high-temperature or radiative situations, where targeted cell killing is facilitated by local heating. Governing equations include continuity, momentum, and energy equations. Momentum equations include second-grade fluid elasticity (via α1), Darcy–Forchheimer coefficients, and a magnetic term for MHD. Energy transport accounts for viscous dissipation, radiative heat transfer, and magnetic media, with the thermal conductivity accounting for nanoparticles' shape factors. Dynamic viscosity is greater than in clean blood because there are nanoparticles and second-grade elasticity. Further, particle shape factors ranging from spherical to blade can greatly affect gross heat transfer performance by changing conductivity routes. A similarity transformation reduces the obtained partial differential equations to coupled ordinary differential equations in dimensionless form, with boundary conditions handling both centerline and channel walls (slip/jump conditions). MATLAB's bvp4c solver, which uses a finite difference collocation scheme, is used to obtain velocity and temperature profiles. Initial guesses are based on limited scenarios, and convergence tests ensure that mesh refinement does not alter the results. Validation comparisons with popular established Jeffrey–Hamel flow and porous-flow benchmarks confirm the accuracy and reliability of the numerical process, allowing for extensive parametric studies for possible applications in optimized drug delivery, cancer hyperthermia, or enhanced thermal management in miniature fluidic devices. Our parametric study revealed that at very low Reynolds numbers (Re = 1), diverging and converging channels exhibit nearly identical velocity profiles with slight acceleration when the channel half-angle is raised. Diverging channels exhibit a more detailed velocity profile as Re is raised to 50 for large Darcy and Forchheimer values, whereas converging channels have reduced flow due to the increased porous-medium drag. Non-Newtonian flow caused by the Deborah number creates small but noticeable changes in both temperature and velocity, especially for high Re. Temperature profiles also rely quite strongly on Re, with low-Re flows creating much larger thermal values and hiding geometrical differences between converging and diverging shapes. Larger Darcy or Forchheimer parameters in diverging channels raise temperatures due to increased dissipation, but the influence is the reverse in converging channels. Increased slip coefficients decrease wall shear but can increase or decrease peak temperatures depending on Re, and a high-temperature jump coefficient creates more rapidly rising thermal gradients, which enhance heat transfer. The nanoparticle shape factor has little effect on velocity but a considerable effect on temperature, with increased shape factors contributing greater thermal conductivity. Simultaneously, radiation parameters reduce overall temperatures through losses, and the Brinkman number rises due to increased dissipation-related heating. Simultaneously, increased magnetic fields and nanoparticle volume fractions increase wall shear and heat transfer, which indicates a potential method of flow and thermal control in convergent/divergent channels. Our computational study shows that Forchheimer and Darcy parameters do not greatly change velocity and temperature fields in converging and diverging channels: higher values improve the flow rate and raise the temperature in diverging channels, but induce an opposite trend in converging channels. Relatively small second-grade (non-Newtonian) effects provide several percent divergence from velocity profiles for low to high Reynolds numbers, therefore demonstrating fluid elasticity effects for both geometries. Slip-velocity boundary conditions reduce skin friction significantly, whereas wall temperature jumps enhance heat transfer significantly by improving the local thermal gradient. The particle geometry has a major influence on temperature but not on velocity; the thermal conductivity increases with increasing shape factors. The rise in the magnetic field increases wall friction and heat transfer, providing a basic method of controlling fluid flow and temperature profiles. These results highlight globally the need to consider, at the same time, porous media properties, elasticity of non-Newtonian fluid, slip/jump boundaries, and nanoparticle properties to maximize thermal and hydrodynamic performance in convergent/divergent channels.
Benzer Tezler
- Optical metasurfaces
Başlık çevirisi yok
FATİH BALLI
Doktora
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiUniversity of KentuckyDR. JOSEPH STRALEY
DR. JEFFREY TODD HASTİNGS
- Şarkiyatçı Arthur Jeffery ve Kur'an çalışmalarının değerlendirilmesi
Orientalist Arthur Saffery and criticism of his Qur'anic studies
MUSTAFA KÜÇÜKAŞÇI
- Performativity and preference of gender in Jeffery Eugenides's Middlesex and Virginia Woolf's Orlando
Jeffrey Eugenides'in Middlesex ve Virginia Woolf's Orlando'sında toplumsal cinsiyet performansı ve tercihi
ZAINA ADEL SALIM ABDEL SAMAD ZAINA ADEL SALIM ABDEL SAMAD
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
İngiliz Dili ve Edebiyatıİstanbul Aydın Üniversitesiİngiliz Dili ve Edebiyatı Ana Bilim Dalı
ÖĞR. GÖR. GAMZE SABANCI UZUN
- Photogrammetric modelling on historical monuments:Nereid monument and tomb of payava and virtual museum experience
Başlık çevirisi yok
ZEYNEP ÖZGE ÖZDEMİR
- Optimizing flight schedules by an automated decision support system
Başlık çevirisi yok
UĞUR ERDEMİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Havacılık MühendisliğiAir Force Institute of Technology (AFIT)DR. JEFFERY D. WEIR
