Numerical analysis of convective heat transfer and flow characteristics with nanofluids flowing over a microscale backward-facing step

Abstract

Bu tezde, mikro boyutta geri basamak üzerinden ZnO/su, CuO/su, TiO2/su, SiO2/su ve Al2O3/su nanoakışkanlarının akışının zorlanmış taşınım ısı transfer ve akış karakteristikleri sayısal olarak incelenmiştir. Nanopartiküllerin çapı 45 nm ile 80 nm arasında değiştirilmiştir. Akışın, üç boyutlu, kararlı ve laminer şartlarda olduğu gözönüne alınmıştır (100≤Re≤1000). Kanalın basamaktan sonraki alt duvarına sabit ısı akısı uygulanmış ve diğer duvarları yalıtılmıştır. Kanalın basamaktan sonraki ve önceki uzunlukları sırasıyla 0.15 m ve 0.10 m olarak ele alınmıştır. Toplam kanal yüksekliği 1000 µm ve genişliği ise 1200 µm'dir. Sayısal analizler, her bir nanoakışkanın farklı nanopartikül hacimsel oranı (ᵩ = 1.0- 4.0%) ve farklı genişleme oranları (ER=1.25, 1.67 ve 2.50) için uygulanmıştır. Sayısal hesaplamalardan, Nusselt sayısı ve Darcy sürtünme faktörü değerleri elde edilmiştir. Bunlara ek olarak, hız ve sıcaklık profilleri analiz edilmiştir. Sonuç olarak, Nusselt sayısının artan nanopartikül hacimsel oranı ve Reynolds sayısı ile arttığı gözlenmiştir. Bütün genişleme oranlarında, %4.0 nanopartikül hacimsel oranına sahip Al2O3/su nanoakışkanın en yüksek Nusselt sayısına sahip olduğu tespit edilmiştir. Nusselt sayısının, azalan genişleme oranı ile birlikte arttığı görülmüştür. Darcy sürtünme faktörünün, artan genişleme oranı ile beraber düştüğü görülmüştür. Bununla birlikte, Darcy sürtünme faktörünün artan nanopartikül hacimsel oranından ve nanoakışkanların çeşidinden etkilenmediği anlaşılmıştır.

In this thesis, the forced convective heat transfer and fluid flow of ZnO/water, CuO/water, TiO2/water, SiO2/water and Al2O3/water nanofluids over the microscale backward-facing step were numerically investigated. The diameters of nanoparticles were changed between 45 nm and 80 nm. The flow was considered as three-dimensional, steady-state and laminar flow condition (100≤Re≤1000). The downward stepped wall was applied for constant heat flux and the other walls were insulated. The length of downstream and upstream wall was taken 0.15 m and 0.1 m, respectively. The total duct height was 1000 µm and width of duct was 1200 µm. Numerical analyses were performed for different nanoparticle volume concentrations (ᵩ = 1.0- 4.0%) of each nanofluid and different expansion ratios (ER=1.25, 1.67 and 2.50). The Nusselt number and the Darcy friction factor values were obtained from numerical calculations. Moreover, the velocity and temperature profiles were also analysed. Finally, it was observed that the Nusselt number increases with increasing Reynolds number and nanoparticle volume concentration. 4.0% volume fraction of Al2O3/water nanofluid has the highest Nusselt number for all expansion ratios. The Nusselt number increases with decreasing expansion ratios. The Darcy friction factor decreases with increasing expansion ratios. However, the Darcy friction factor does not affected by the increasing in nanoparticles volume concentration and the types of nanofluids.