Tez Arşivi

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özetlere göre tezleri arayabilirsiniz.


Orta Doğu Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Anabilim Dalı

2017

3-d numerical simulations of fluid flow and heat transfer in various micro conduits

Çeşitli mikrokanallardaki akışkan akışı ve ısı transferinin 3 boyutlu sayısal simülasyonu

Bu tez, YÖK tez merkezinde bulunmaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi'ndeki tarama bölümünde tez numarasını arayabilirsiniz. Tez numarası: 489538

Tezi Bul
Özet:

Bu çalışmada, mikrokanallarda bulunan farklı konfigürasyonlardaki ve geometrik özelliklerdeki yüzey pürüzlülüğünün laminar akışa ve ısı transferine etkisinin sayısal olarak incelenmesi amaçlanmıştır. Bunun için düz yüzeyli kanallarla birlikte, farklı yüzey pürüzlülük özelliklerine sahip, iki boyutlu paralel plakalardan oluşan ve üç boyutlu eşkenar yamuk kesitli kanallar oluşturulmuştur. Akış ve ısı transferi simülasyonları COMSOL Multiphysics programı ile yapılmıştır. Yüzey pürüzlülüğü, iki boyutlu kanallarda, bir plakaya yerleştirilen üçgen şekilli çıkıntılar ile modellenirken, üç boyutlu kanallarda, silikon kanallarda oluşan doğal pürüzleri ve lotus yapraklarındaki mikro yapıları taklit edebilmek için, konik çıkıntılar ile modellenmiştir. Düz ve pürüzlü kanallar için sayısal olarak elde edilen sonuçlar hem birbirleriyle, hem de literatürde varolan sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Hem iki hem de üç boyutlu kanallarda, pürüzlerin uç noktalarna doğru, çevresel akış hızının artmasına bağlı olarak, yerel Nusselt sayılarında artış gözlemlenmiştir. Fakat, pürüzlerin taban kısımlarında ve pürüz elemanlarının arasında, konveksiyonla ısı transferini azaltan düşük hız bölgelerinin oluşması ve akışkan termal iletkenliğinin kanal çıkışına doğru artması nedeniyle yerel Nusselt sayısının azaldığı görülmüştür. Pürüzlü geometrilerdeki sürtünme karakteristikleri ise, oluşturulan yüzeylerin karmaşıklık seviyesiyle doğrusal olmayan bir davranış sergilemiştir. Pürüzlü geometrilerdeki akış analizlerde yaygın olarak kullanılan relatif yüzey pürüzlülüğü konseptinin, mikrokanallardaki pürüzlülüğün etkisini tanımlamak için yeterli olmadığı gösterilmiştir. Ayrıca, COMSOL Multiphysics programında kullanılan sayısal stabilizasyon metodlarının, ağ yapısında kullanılan elemanların seviyesinin ve bağıl hata seviyesinin mikroakışkan simülasyonlarından elde edilen sonuçlara etkisi de incelenmiştir.

Summary:

In this work, it is aimed to investigate the effect of roughness geometrical properties and configurations on laminar flow and heat transfer characteristics in microchannels, numerically. For this purpose, two-dimensional parallel plate, and three-dimensional trapezoidal microchannels with different roughness properties are modeled along with the smooth ones. Fluid flow and heat transfer simulations are conducted with COMSOL Multiphysics. Roughness is modeled as triangular obstructions on one of the plates in two-dimensions, and conical obstructions in three-dimensions on the base of the trapezoidal channel, to mimic the natural roughness in silicon microchannels and microstructures on lotus leaves. Numerically obtained results, for smooth and rough channels, are compared with each other, and with the results that exist in the literature. It is found that, both in 2D and 3D tested geometries, local Nusselt number increases through the tip of the roughness elements due to increased velocity of the subjected flow. However, near the base of the roughness elements and between them, reduction in local Nusselt number is observed due to reduced velocity fields reduced convective heat flux in the fluid, and increased thermal conductivity of the fluid through the exit of the channels. Frictional characteristics of the tested rough geometries showed nonlinear behavior with the complexity of the surface parameters. It is shown that widely used relative roughness height concept is not enough to define the roughness effect in microchannels. Additionally, effects of stabilization methods, element discretization order, and relative tolerance level on the results of microfluidic simulations with COMSOL are investigated.