Computational hydrodynamic and heat transfer analysis of magnetohydrodynamic internal flow

Abstract

Manyetohidrodinamik, akışkanlar bilim alanının elektriksel iletken akışkanların manyetik kuvvetler altında dinamik davranışlarını inceleyen bilim dalıdır. Bu tez çalışmasında, sıvı lityumun silindirik boru ve dikdörtgen kanal içerisinde kararlı akışında hidrodinamik, termofiziksel akışkan parametreleri ve ısı transferi üzerine dışardan uygulanan manyetik alan ve birlikte uygulanan elektrik ve manyetik alanların etkileri sayısal olarak incelenmiştir. Manyetik ve elektrik alanın birlikte uygulanması durumunun çalışılmasının sebebi, pratikte manyetik alan oluşturmadaki kısıtlılıktır. Bu duruma sebep ise metallerin manyetikleşmelerindeki sınırlılıktır. Böylece, elektriksel iletken akışkanlar üzerindeki manyetik alan etkisi manyetik ve elektrik alanın birlikte uygulanması ile geliştirilebilir. Çözümlemeler sabit yüzey sıcaklığı sınır şartı için Navier-Stokes, süreklilik ve enerji denklemleri tabanlı olarak yapılmıştır. Sayısal analizleme ANSYS Fluent 15.0 yazılımı MHD modülü kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Çalışılan modeller hexahedral hücre yapılı ağ yapısı ile oluşturulmuş ve optimum ağ hücre boyutu ağ yapısı çalışmaları ile belirlenmiştir. Değerlendirilen sonuçlar uygulanan manyetik alan indüksiyonunun artması ile sıvı lityumun laminar akışında, akış hızı ve dinamik basıncın azaldığını, aynı zamanda statik basınç, yüzey sürtünme katsayısı, kayma gerilmesi, merkezcil sıcaklık, lokal sıcaklık ve Nusselt sayısının dolayısı ile ısı geçişinin arttığını göstermiştir. Manyetik alan ile birlikte uygulanan pozitif yönlü elektrik alan şiddetinin (E+) artması ile manyetik alan etkinin güçlendirildiği ve böylece akış hızının ve dinamik basıncın daha da azaldığı, aynı zamanda statik basınç, yüzey sürtünme katsayısı, kayma gerilmesi, merkezcil sıcaklık, lokal sıcaklık ve Nusselt sayısının dolayısı ile ısı geçişinin daha da arttığı belirlenmiştir. Manyetik alan ile birlikte uygulanan negatif yönlü elektrik alan şiddetinin (E-) artması ile manyetik alan etkinin zayıflatıldığı ve böylece akış hızının ve dinamik basıncın daha da arttığı, aynı zamanda statik basınç, yüzey sürtünme katsayısı, kayma gerilmesi, merkezcil sıcaklık, lokal sıcaklık ve Nusselt sayısının dolayısı ile ısı geçişinin daha da azaldığı tespit edilmiştir. Türbülans akış durumunda ise uygulanan manyetik alan şiddetinin artması ile statik basıncın arttığı, fakat bunun yanında akış hızı, dinamik basınç, yüzey sürtünme katsayısı, kayma gerilmesi, merkezcil sıcaklık, lokal sıcaklık ve Nusselt sayısının dolayısı ile ısı geçişinin azaldığı belirlendi. Manyetik alan ile birlikte uygulanan pozitif yönlü elektrik alan şiddetinin (E+) artması ile manyetik alan etkinin güçlendirildiği ve böylece akış statik basıncın daha da arttığı, fakat bunun yanında akış hızının, dinamik basıncın, yüzey sürtünme katsayısının, kayma gerilmesinin, merkezcil sıcaklığın, lokal sıcaklığın ve Nusselt sayısının dolayısı ile ısı geçişinin daha da azalttığı tespit edilmiştir. Manyetik alan ile birlikte uygulanan negatif yönlü elektrik alan şiddetinin (E-) artması ile manyetik alan etkinin zayıflatıldığı ve böylece statik basıncın azaldığı, fakat bunun yanında akış hızının, dinamik basıncın, yüzey sürtünme katsayısının, kayma gerilmesinin, merkezcil sıcaklığın, lokal sıcaklığın ve Nusselt sayısının dolayısı ile ısı geçişinin arttığı belirlenmiştir.

Magnetohydrodynamic (MHD) is a branch of fluid science which investigates the dynamic behaviours of electrically conductive fluids under the magnetic forces. In this dissertation, effects of externally applied magnetic field and also electrical field together with the magnetic field on liquid lithium hydrodynamic, thermophysical flow parameters and heat transfer were investigated numerically in case of steady state flow in a cylindrical pipe and a rectangular duct. Reason of studying the combined effect of magnetic and electrical field is that practically magnetic field creation is restricted because of the limited potential of the metals magnetization. So, magnetic field effect on electrically conductive fluids could be improved by the combined application of magnetic and electrical field. Analyses were done by Navier-Stokes, continuity and energy equations base for constant surface temperature boundary condition. Numerical analyses were occurred by ANSYS Fluent 15.0 software MHD module. Studied models were meshed in hexahedral type and optimum mesh size was determined by mesh studies. Evaluated results showed that increase in applied magnetic field which is on liquid lithium laminar flow decreases flow velocity and dynamic pressure, but also static pressure, skin friction coefficient, wall shear stress, central temperature, local temperature and Nusselt number and so heat transfer increases. Increase in positive directional electrical field (E+) which is applied together with magnetic field supports the effect of magnetic field and so flow velocity and dynamic pressure decreases more, but also static pressure, skin friction coefficient, wall shear stress, central temperature, local temperature and Nusselt number and so heat transfer increases more. Increase in applied negative directional electrical field (E-) together with magnetic field weaken the effect of magnetic field and so flow velocity and dynamic pressure increases more, but also static pressure, skin friction coefficient, wall shear stress, central temperature, local temperature and Nusselt number and so heat transfer decreases more. In the case of turbulent flow condition, increase in applied magnetic field increases static pressure, but also flow velocity, dynamic pressure, skin friction coefficient, wall shear stress, central temperature, local temperature and Nusselt number and so heat transfer decreases. Increase in positive directional electrical field (E+) applied together with magnetic field supported the effect of magnetic field and so static pressure increases more, flow velocity, dynamic pressure, skin friction coefficient, wall shear stress, central temperature, local temperature and Nusselt number and so heat transfer decreases more. Increase in negative directional electrical field (E-) applied together with magnetic field weaken the effect of magnetic field and so static pressure decreases, but also flow velocity, dynamic pressure, skin friction coefficient, wall shear stress, central temperature, local temperature and Nusselt number and so heat transfer increases.