Silindirik borularda manyetohidrodinamik akışın deneysel olarak incelenmesi ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile sayısal analizi.

Abstract

Bu çalışmada viskoz, sıkıştırılamaz üç farklı özelliğe sahip manyetik akışkanın (A-B-C) silindirik bir boruda laminer Hidrodinamik (HD) ve Manyetohidrodinamik (MHD) akışı deneysel ve nümerik olarak incelenmiştir. Deneysel çalışmada, manyetik alan indüksiyonunu oluşturabilmek için imal edilen bir elektromanyetik cihaz ortamında 10 ve 15 mm çaplarında, 300 mm uzunluğunda iki farklı silindirik boruda manyetik alanın akışkanın laminer akışına etkisi gözlemlenmiştir. Deneyler, manyetik alanın B= 0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.08, 0.09, 0.1, 0.12 ve 0.15 T değerlerinde gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmadan elde edilen sonuçların doğruluğunu gösterebilmek amacıyla Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) Analizi kullanılarak nümerik çalışma yapılmıştır. HAD analizinde sonlu hacimler tekniğine dayalı Fluent kodu kullanılmıştır. Fluent kodunda akışa ait genel denklemler, HD (B=0) ve MHD (B?0) akış modelleri için çözülmüştür. MHD akışmodeli için manyetik indüksiyon denkleminin çözümü metoduna göre nümerik hesaplamalar yapılmıştır. Deneylerde akışa uygulanan manyetik alan, akışkanların viskozitesini arttırarak akış hızlarını düşürmüştür. Boru çapının 10 mm olduğu durumda A, B ve C akışkanlarının hız değerleri HD akış modeli için sırasıyla 0.593, 0.749 ve 0.938 m/s olmuştur. Manyetik alanın en büyük değeri olan B=0.15 T'da bu değerlerde sırasıyla %95.27, %90.24 ve %85.6 oranlarında düşüşler meydana gelmiştir. Benzer biçimde, boru çapının 15 mm olduğu durumda A, B ve C akışkanları için 0.301, 0.363 ve 0.445 m/s olan akış hızı değerlerinde sırasıyla %96.87, %95.06 ve %90.76 oranlarında düşüşler meydana gelmiştir. HAD analizlerinde manyetik alanın B= 0, 0.05, 0.1 ve 0.15 T değerleri kullanılarak elde edilen sonuçlar, deneysel çalışmadan elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılarak değerlendirilmiştir. Buna göre, boru çapı 10 mm için HD ve MHD akış modellerinde deneysel ve nümerik çalışma arasındaki farklar sırasıyla ortalama %6.1 ve %1.71 olarak bulunmuştur. Boru çapının 15 mm olduğu durumda ise bu fark sırasıyla %2.31 ve %0.89 olmuştur. Sonuç olarak, deneysel ve nümerik çalışmadan elde edilen sonuçların birbirini destekler nitelik ve nicelikte olduğu tespit edilmiştir.

In this study, laminar Hidrodynamic (HD) and Magnetohydrodynamic (MHD) flow behavior of viscous, incompressible three magnetic fluids (A-B-C) with different physical properties in circular pipes were investigated experimentally and numerically. In the experiments, an electromagnetic device which is manufactured to generate magnetic field induction was used to observe the effect of the magnetic field on laminar flow of the fluids in two different circular pipes with dimensions of 10 mm and 15 mm in diameter and 300 mm in length. The experiments were performed using following magnetic fields B= 0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.08, 0.09, 0.1, 0.12 and 0.15 T. Numerical study was performed to show the accuracy of the results obtained from experimental study. In numerical analysis, Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis was used. The Fluent code based on the finite volume method was used for the CFD analysis. Governing equationsdescribing the fluid flow were solved for HD (B=0) and MHD (B?0) flow models in the Fluent code. For MHD flow model, numerical calculations were done according to the solution of the magnetic induction equation. In the experiments, the applied magnetic field decreased the flow rate of the fluids by increasing viscosity. In case of 10 mm pipe diameter, the flow velocity of the A, B and C fluids were obtained as 0.593, 0.749 and 0.938 m/s respectively according to HD model. When B=0.15 T magnetic field was applied, %95.27, %90.24 and %85.6 reductions in the velocity of A, B and C fluids were obtained, respectively. Similarly, In case of 15 mm pipe diameter, %96.87, %95.06 and %90.76 reductions occurred in the flow velocity of A, B and C fluids having 0.301, 0.363 and 0.445 m/s flow velocity. The results obtained from HAD analysis using B=0, 0.05, 0.1 and 0.15 T were compared with experimental results. Therefore, it was found that the differences between the experimental and numerical study were %6.10 and %1.71 for the HD and MHD flow models respectively for 10 mm pipe diameter. In case of 15 mm pipe diameter, the differences were %2.31 and %0.89. As a result, it was found that the results obtained from experimental and numerical study were qualitatively and quantitatively in good agreement.