KSÜ. Fen ve Mühendislik Dergisi, 8(2)-2005 43 KSU. Journal of Science and Engineering 8(2)-2005 Isı Taşınımına Manyetik Alanın Etkisinin Sayısal İncelenmesi Ziyaddin RACABOVADİLOĞLU, Kemal ATİK Zonguldak Karaelmas Üniversitesi, Karabük Teknik Eğitim Fakültesi, Karabük ÖZET: Elektromanyetik alan içerisinde kalan akışkanlar bu alandan etkilenmektedirler. Elektriksel iletkenliğine ve manyetikleşme özelliğine bağlı olarak akışkanların debi ve akış hızları manyetik alanın etkisiyle değişmektedir. Bu çalışmada ısı taşınımına manyetik alanın etkisi incelenmiştir. Çalışmanın teorik kısmında, akışkana etkiyen elektromanyetik kuvveti içeren Navier-Stokes, süreklilik ve sıcaklık dağılım denklemleri borularda gerçekleşen akışın incelenebilmesi amacıyla silindirik koordinat sisteminde yazılmıştır. Oluşturulan denklem sistemi; basınç değişimi, akışkanın fiziksel özellikleri ve boru boyutunun sabit kaldığı kabul edilerek çözülmüştür. Silindirik koordinat sisteminde yazılan denklem sisteminin çözümü sayısal metotla yapılarak manyetik alanın şiddetine ve akışkanın diğer fiziksel özelliklerine bağlı olarak eksenel ve radyal yönlerdeki sıcaklık dağılımı ile Nusselt sayısı hesaplanmıştır. Yapılan sayısal çözüm sonuçlarına göre; akış yönüne dik olarak yerleştirilen manyetik alanın şiddeti artırıldığında akış hızı ve debide azalma olduğu, ısı geçişinin azaldığı, soğutulan bir akışkan için sıcaklık dağılımında azalmalar olduğu görülmüştür. Reynolds sayısının artışıyla Nusselt sayısının azaldığı, manyetik alanın artmasıyla da Nusselt sayısının arttığı tesbit edilmiştir. Bu çalışmadan elde edilen teorik sonuçlar, daha önce yapılan analitik çözüm sonuçları ile karşılaştırıldığında birbiriyle uyum içinde olduğu görülmüştür. Anahtar kelimeler: Manyetik alan, ısı taşınımı, sıcaklık dağılımı, borularda akış. A Numeric Solution to the Effect of Magnetic Field on Heat Convection ABSTRACT: The fluids inside an electromagnetic field are affected from this filed. The flow rate and velocity of fluids with effect of magnetic field are changed according to electrical conductivity and magnetic properties. In this study, the effect of magnetic field on heat convection is investigated. In theoretical section of the study, the NavierStokes equations, continuity and heat dispersion equations, which are composed of the electromagnetic forces affecting to fluids, are written in cylindrical coordinate system in order to investigate the fluids in pipes. The equations generated are solved in assumption of pressure variation, physical properties of fluids and the size of pipe are constant. The equation system written in a cylindrical coordinate system is solved in numerical method in which heat dispersion in axial and radial directions are subject to the intensity of magnetic field and other physical properties of the fluids, and Nusselt number is calculated. According to the result of numerical solutions , it is seen that the increase on the magnetic field intensity which is located perpendicular to flow way, causes a decrease flow speed and flow rate, and also seen that heat convection and heat dispersion for a fluid that is cooled were lessened. It is determined that while the Reynolds number increases, the Nusselt number decreases, and while magnetic field increases, the Nusselt number increases. The theoretical results obtained from the study are covered with the results obtained by analytical solutions. Key words: Magnetic field, heat convection, temperature dispersion, flow on pipes. GİRİŞ Kütle taşınımı ile ısı iletimine elektrik ve manyetik alan etkileri farklı bilim adamları tarafından incelenmiştir (Tashtoush ve Al-Odat, 2003; Jı ve Gardner, 1996). Akışkan olarak civa, galyum ve ergimiş metaller kullanılmıştır. Genellikle deneyler kanalda yapılmıştır. Manyetik alanın sabit basınç altındaki akışkan hareketlerine etkileri incelenmiş ve zayıf manyetik ve elektriksel özellikli akışkanların akış hızlarının alan etkisiyle azaldığı görülmüştür. Zorlanmış konveksiyon ile taşınan ısı miktarı, kullanılan akışkanın akış hızı ile doğru orantılı olduğu ve bundan dolayı manyetik alan etkisiyle taşınan ısı miktarının artabileceği düşüncesi ile yola çıkılarak ısı taşınımına manyetik alan etkileri incelenmiştir. MATERYAL ve METOT Şekil 1. de görüldüğü gibi; B şiddetli enine manyetik alan içerisine yerleştirilen R yarıçaplı silindirik bakır boruda viskoziteli akışkanın hareket ettiği kabul edilmektedir. Boru girişindeki akışkanın sıcaklığı T0 , boru etrafındaki ortamın sıcaklığı ise Td olsun. Akışkanın fiziksel özelliklerinin sabit kalacaklarını varsayarak akış hızının ve sıcaklığın radyal ve eksenel yönlerde değişecekleri kabul edilmektedir. Viskozite sabit kaldığında sıkıştırılamayan akışkan için hareket denklemi (Navier-Stokes denklemi) ve akışın süreklilik denklemi silindirik koordinat sisteminde aşağıdaki denklemlere dönüşürler. KSÜ. Fen ve Mühendislik Dergisi, 8(2)-2005 KSU. Journal of Science and Engineering 8(2)-2005 44 Burada, N = ∂P , ∂z m2 = γB 2 η olarak alınmıştır. B Bessel fonksiyonunun seriye açılımının ilk iki terimini kullanarak (3) ifadesini uz = − θ r U0 = − Şekil 1. Manyetik alan etkisinde kalan yatay boruda koordinat sisteminin yerleştirilmesi. Navier-Stokes denklemi: 2 ∂ur ∂ur uϕ ∂ur ∂ur uϕ 1 ∂P + ur + + uz − = Fr − + ρ ∂r ∂t ∂r r ∂ϕ ∂z r ∂t ⎛ ∂ 2u 1 ∂ 2u z ∂ 2u 1 ∂u z ⎞⎟ + +ν ⎜ 2z + 2 + + Fm.z ⎜ ∂r r ∂ϕ 2 ∂z 2 r ∂r ⎟⎠ ⎝ (1) ∂2T 1 ∂T N ⎛ I0 (m.r) ⎞ ∂T U0 ⎛⎜ r 2 ⎞⎟ ∂T ⎜ + = −1⎟ = 1− ∂r 2 r ∂r a.k1 ⎜⎝ I0 (m.R) ⎟⎠ ∂z a ⎜⎝ R2 ⎟⎠ ∂z (2) Burada, a = Süreklilik denklemi: Bu denklemler sıcaklığın denge denklemi olmadan da çözülebilir. Bu durumda akış hızının da formülleri elde edilir. Böylece, borunun uzunluğu boyunca hız dağılımı: şeklinde olacaktır. ile ifade edilir. Borudaki akışkanın sıcaklığının radyal ve eksenel yönlerdeki dağılımına bakılacak olursa silindirik koordinatta sıcaklık denklemi aşağıdaki gibi ifade edilir: (6) güçlü olduğu düşünülerek uϕ ∂u z ∂u z ∂u ∂u 1 ∂P + ur z + + u z z = Fz − + ∂t ∂r ∂z r ∂ϕ ρ ∂z N ⎛ I 0 (mr ) ⎞ ⎜ − 1⎟ ηm 2 ⎜⎝ I o (mR ) ⎟⎠ (5) ∂ 2T terimi de (6) nolu ∂z 2 eşitlikten atılsın. Akış hızının çok da büyük olmayacağı ve dolayısı ile sıcaklık kaybı ile azalmayacağı düşünülerek (6) nolu eşitlikten E li terim de yok edilsin. Bu kabullerden sonra (6) nolu denklem aşağıdaki şekli alacaktır. ⎛∂2uϕ 1 ∂2uϕ ∂2uϕ 1 ∂uϕ 2 ∂u uϕ ⎞ r + − ⎟+F +ν ⎜ 2 + 2 2 + 2 + ⎜ ∂r r ∂ϕ ∂z r ∂r r2 ∂ϕ r2 ⎟ m.ϕ ⎝ ⎠ uz = 2 NR 2 (4η + γB 2 R 2 ) Sıcaklığın kararlı olduğunu ve simetrikliğini dikkate alarak (6) denkleminden t(zaman) ve ϕ ye göre türevli terimleri çıkarılsın. Sonra sıcaklığın radyal yöndeki değişiminin boru uzunluğu boyunca değişiminden çok ∂u u .u ∂uϕ uϕ ∂uϕ 1 ∂P r ϕ + +uz ϕ + + = Fϕ − ∂r r ∂ϕ ∂z ρ.r ∂ϕ r ∂u r 1 ∂uϕ ∂u z u r + + + =0 ∂r r ∂ϕ ∂z r (4) ⎛1 ∂ ⎛ ∂T⎞ 1 ∂2T ∂2T⎞ ∂T ∂T uϕ ∂T ∂T E +ur. + +uz. = +a.⎜ ⎜r ⎟+ 2 2 + 2 ⎟ ∂r r ∂ϕ ∂z ρ.cp.J ⎜⎝r ∂r⎝ ∂r ⎠ r ∂ϕ ∂z ⎟⎠ ∂t ⎛ ∂2u 1 ∂2u ∂2u 1 ∂ur 2∂uϕ ur ⎞ ν.⎜ 2r + 2 2r + 2r + − 2 − 2 ⎟ + Fm.r ⎜ ∂r r r ∂ r z r .∂ϕ r ⎟⎠ ∂ ϕ ∂ ⎝ +ur 2 ⎞ ⎛ ⎜1 − r ⎟ ⎜ R2 ⎟ ⎝ ⎠ şeklinde de yazmak mümkündür. İfadeden hız dağılımının parabolik şekilde olduğu görülmektedir. Burada, U 0 boru eksenindeki akış hızıdır ve Z ∂uϕ 2 ⎞ ⎛ ⎜1 − r ⎟ = 2U 0 4η + γB 2 R 2 ⎜⎝ R 2 ⎟⎠ 4 NR 2 (3) λ ρ cp (7) (m / s ) , λ - ısıl iletkenlik katsayısı , 2 c p -özgül ısıdır. Boru yüzeyi sıcaklığı (Td ) ve boru girişinde akışkanın (T0 ) sıcaklıklarının sabit kalacaklarını varsayarak aşağıdaki boyutsuz eşitlikleri yazılabiliriz: z T − Td r r1 = =θ (8) z1 = T0 − Td R R Bu kabullerden sonra (7) denklemi, KSÜ. Fen ve Mühendislik Dergisi, 8(2)-2005 1⎛ r 2 ⎞ ∂θ 1 ∂θ 1 ⎛ I (m.r ) ⎞ ∂θ = ⎜⎜1 − 2 ⎟⎟ = ⎜⎜ 0 − 1⎟⎟ r1 ∂r1 a1 ⎝ I1 (m, R ) ⎠ ∂z1 a1 ⎝ R ⎠ ∂z1 (9) denklemine dönüşecektir. Burada, ∂ 2θ + ∂r12 a 2U 0 R a1 = (10) Eşitlikleri sayısallaştırmada denklemleri aşağıdadır. d 2T (11) (11a) z1 = 0 (r1 < 0) olduğunda θ = 1 Böylece, problem (9) denkleminin (11) sınır şartlarında çözümüne indirgenmiş olacaktır. Sayısal Çözüm Elde edilen eşitliklerin çözümü sonlu fark denklemleriyle yapılmıştır. Bu denklemlerle çözüm iteratif olarak yapılmaktadır. Çözüm bölgesi Şekil 2 de görüldüğü gibi küçük parçalara (sonlu farklar) ayrılmakta, her bir nokta için diferansiyel denklemi sağlaması istenmektedir (Aldaş ve Karadağ, 2001). Sınır şartları başlangıçta belirlenmiş olup, çözümde bunlara uyularak her bir nokta için hız ve sıcaklık hesaplanmaktadır. Her iterasyon işleminde bir önceki iterasyon sonuçları kullanılmakta; böylece gerçeğe daha yakın değerler elde edilmektedir. Belirli tekrar sayısından sonra sonuçlar değişmez olmakta, yani gerçek değerlere ulaşılmış olup işlem bitirilmektedir. Nusselt sayısının hesaplanmasında kullanılmak üzere α ısı taşınım katsayısı; sayısal çözüm sonucu elde edilen sıcaklık değerlerini kullanarak hesaplanmıştır (Targ, 1950; Yüncü ve Kakaç, 1999; Aldaş ve Karadağ, 2001). j 2 d 2T dz 2 sonlu fark (12) = Ti + 1, j − 2Ti , j + Ti − 1, j 2 ∆r (13) = Ti , j + 1 − 2Ti , j + Ti , j − 1 2∆z (14) Nusselt sayısının hesaplanmasında r1 = 1 ( z1 > 0) olduğunda θ = 0 j-1 kullanılan dT Ti + 1, j − Ti − 1, j = 2∆r dr dr elde edilir. Boru duvarının yakınındaki sıcaklığın duvar sıcaklığına eşit olduğunu kabul edilerek , sınır şartları aşağıdaki gibi yazılabilir. r KSU. Journal of Science and Engineering 8(2)-2005 45 j+1 i+1 i i-1 z Şekil 2. Çözüm bölgesinin sonlu parçalara ayrılması α =− Nu = λ ⎛ ∂T ⎞ ⎜ ⎟ T − Td ⎝ ∂r ⎠ r = R * 2αR λ (15) (16) Reynold sayısının hesaplanmasında Re = uD ν (17) Denklemi kullanılmıştır. Bu denklemlerin eşitlik (7) de yerine yazılmasıyla elde edilen sayısal denklemler geliştirilen bir “Visual Basic” programı yardımıyla bütün noktalar için sıcaklık hesaplanmıştır. Hesaplamada kullanılan boru boyutları; yarıçap R = 0.0025 m, uzunluk z = 0.0085 metredir. Çözüm bölgesi boru ekseni ve yarıçap boyunca 100 er eşit parçaya bölünmüş, böylece 100 x 100 = 10000 düğüm noktası olan ağ elde edilmiştir. Kullanılan sınır şartları şu şekildedir: Başlangıç kesitinde ve boru cidarlarında sıcaklık sabittir (Td ) . Boru cidarında ısı geçişi olmamakta, yani sınırda sıcaklık değişimi sıfırdır. Eksenel yönde kontrol hacminin başlangıcında ve sonunda sıcaklık değişimi komşu düğümle aynı alınmıştır. Akışkan olarak % 10 tuz içeren su kullanılmıştır. Sonuçlar değişmez oluncaya kadar bu işleme devam edilmiştir. Yaklaşık 4000 tekrar sonucunda bütün noktaların sıcaklığı sabit olmuş ve bu değerler grafikleri çizilmek üzere bir dosyaya kaydedilmiştir. Yapılan programın sonuçlarının doğruluğu; literatürdeki analitik çözümlere uygunluğundan anlaşılmıştır. Program önce manyetik alanın etkisi olmadan çalıştırılarak, daha önce analitik çözüm yapılmış olan çalışma ile aynı eksen takımları içerisinde eşit sıcaklık profili elde edilmiştir (Targ, 1950). Daha sonra manyetik alan etkisi ile çözüm yapılmış ve literatürdeki analitik çözümle aynı sıcaklık değişimi elde edilmiştir (Racabovadiloğlu, 2002). Şekil 3, Şekil 4 KSÜ. Fen ve Mühendislik Dergisi, 8(2)-2005 B=1 B=2 1,05 1 B=0 B=1 B=2 1 0,9 0,8 0,7 Boyutsuz Sıcaklık θ ve Şekil 5 te boyutsuz θ sıcaklığının manyetik alan şiddetine ve eksene göre değişimini gösteren grafikler verilmiştir. Şekil 3 te boru ekseninde (r = 0), Şekil 4 te yarıçap r = 0,0010 m için, Şekil 5 de yarıçap r = 0,0020 m için boyutsuz sıcaklığın farklı manyetik alan şiddetlerinde (B = 0, B = 1 ve B = 2 Wb) akış ekseni boyunca değişimleri gösterilmiştir. B=0 KSU. Journal of Science and Engineering 8(2)-2005 46 0,6 0,5 0,4 0,3 Boyutsuz Sıcaklık θ 0,95 0,2 0,9 0,1 0,000 0,002 0,85 0,004 0,006 0,008 Boru Boyu 0,011 z Şekil 5. r = 0,0020 için farklı manyetik alanlarda boyutsuz sıcaklığın eksen boyunca değişimi 0,8 0,75 13 0,7 0,000 0,002 0,004 0,006 Boru Boyu 0,008 B=0 0,011 z Şekil 3. r = 0 için farklı manyetik alanlarda boyutsuz sıcaklığın eksen boyunca değişimi B=1 B=2 11 Nu B=0 B=1 12 10 B=2 1,05 9 1 8 Boyutsuz Sıcaklık θ 0,95 0,9 7 7,00 0,85 11,00 13,00 15,00 17,00 19,00 Re 0,8 Şekil 6. Nusselt sayısının Reynolds sayısına bağlı olarak değişimi. 0,75 0,7 0,65 0,6 0,000 9,00 0,002 0,004 Boru Boyu 0,006 0,008 0,011 z Şekil 4. r = 0,0010 için farklı manyetik alanlarda boyutsuz sıcaklığın eksen boyunca değişimi Grafiklerden de anlaşıldığı gibi, manyetik alan etkisinin artması ile boyutsuz θ sıcaklığında azalma olmaktadır. Boru ekseninde manyetik alan şiddeti B = 1 (Wb), olduğunda bu azalma % 2, B = 2 (Wb) olduğunda % 9 a ulaşmıştır. Yarıçap r = 0,0010 için manyetik alan şiddeti B = 1 (Wb), olduğunda bu azalma % 3, B = 2 (Wb) olduğunda % 11 e ulaşmıştır. Yarıçap r = 0,0020 için manyetik alan şiddeti B = 1 (Wb), olduğunda bu azalma % 4, B = 2 (Wb) olduğunda % 14 e ulaşmıştır. Bu sıcaklık değişimleri akışkanın hızında meydana gelen azalma ile bağlantılıdır. Şekil 6 da görüldüğü gibi, Reynolds sayısının artmasıyla Nusselt sayısı azalmaktadır. Reynolds sayısının 15 i geçmesiyle Nusselt sayısı 10 un altına düşmekte ve borularda tam gelişmiş akış için verilen Nu = 3.66 değerine doğru yaklaşmaktadır (Yüncü ve Kakaç, 1999). Bu şekilden manyetik alanın artmasıyla Nusselt sayısının arttığıda görülmektedir. Şekil 7’ de eşit Reynolds sayıları için (Re = 14) farklı manyetik alanlarda Nusselt sayıları çizilmiştir. Manyetik alan şiddetinin artması ile Nusselt sayısında artma meydana geldiği görülmektedir. Bu da daha önce yapılmış analitik çözüm çalışmasına uymakta ve elde edilen sonuçların doğruluğu anlaşılmaktadır (Racabovadiloğlu, 2002). KSÜ. Fen ve Mühendislik Dergisi, 8(2)-2005 10 Re t Td : Reynolds sayısı, : Zaman (s), : Boru duvarının sıcaklığı ( 0C ), 8 T0 : Boru eksenindeki sıcaklık( 0C ), Nusselt 12 0 4 T* : Akışkanın ortalama sıcaklığı ( C ), u : Akışkan akış hızı (m/s), u r , uϕ , u z : Eksenel yönündeki hız bileşenleri (m/s) 2 α 6 0 0 1 Manyetik Alan Şiddeti 2 B [Wb] Şekil 7. Nusselt sayısının Manyetik alan şiddetine bağlı değişimi. TARTIŞMA VE SONUÇ Silindirik yatay bir boruda zorlanmış konveksiyon ile ısı transferine manyetik alan etkisi incelenmiştir. Sayısal çözüm sonunda borunun radyal ve eksenel yönlerdeki akışkan sıcaklıkları, akışkan ve borunun fiziksel parametrelerine, aynı zamanda etkiyen manyetik alanın şiddetine bağlı olarak bulunmuştur. Akış yönüne dik olarak yerleştirilen manyetik alanın şiddeti artırıldığında, akış hızı ve debide azalma olduğu gibi boyutsuz sıcaklık dağılımında da fark edilebilir azalmalar olduğu tespit edilmiştir. Boru ekseninde manyetik alan şiddeti B = 1 (T) olduğunda bu azalma % 2 lere, B = 2 (T) olduğunda bu azalma % 8 e ulaşmıştır. Manyetik alan şiddeti artırıldığında daha yüksek Nusselt sayıları elde edilmekte; fakat Reynolds sayısının artmasıyla Nusselt sayısı literatürde verilen değere doğru azalmaktadır. Manyetik alan şiddeti B = 1 (Wb), olduğunda Nusselt sayısındaki artma % 1, B = 2 (Wb) olduğunda % 5 e ulaşmıştır. Aynı manyetik alan şiddetinde Reynolds sayısının 9 dan 18 e çıkmasıyla Nusselt sayısı % 15 azalmıştır. Analitik çözümle sayısal çözüm sonuçlarının birbiriyle uyum içerisinde oldukları görülmüştür. SEMBOLLER : Isı akımına dik sınır yüzey alanı (m2), : Manyetik alan indüksiyonu (Wb), : Akışkan özgül ısınma ısısı (kJ/kgK), cp A B E F g I0 K N Nu P Q qm R KSU. Journal of Science and Engineering 8(2)-2005 47 : Birim hacim için kinetik enerji (kg/m2s) : Dış kuvvetler (N) : Yerçekimi ivmesi (m/s2), : Bessel Fonksiyonu : Toplam ısı transferi katsayısı (W/m2K), : Basınç artışı (N/m2), : Nusselt sayısı, : Basınç (N/m2), : Toplam ısı akımı (W), : Birim yüzeyden birim zamanda geçen ısı geçişi (W/m2), : Borunun yarıçapı (m), : Yüzey ısı taşınım katsayısı ( W/m2K), γ :Akışkan özgül elektriksel iletkenliği (1/Ohm.m), η : Akışkan dinamik viskozitesi (kg.s/m2 ), θ : Boyutsuz sıcaklık, λ : Akışkan ısıl iletkenlik katsayısı (W/mK), ν : Kinematik viskozite (m2/s), ρ : Akışkan yoğunluğu (kg/m3), ϕ , z, r : Silindirik sistemin koordinatları, KAYNAKLAR Aldaş, K., Karabulut, H. 2001. Yatay Bir Boru Üzerindeki Laminer Film Yoğuşmasının Silindirik ve Kartezyen Sınır Tabaka Denklemleriyle Simülasyonu. Politeknik Dergisi, 4(2): 53-60 Jı, H.C., Gardner, R.A. 1996. Numerical Analysis of Turbulent Pipe Flow in a Transverse Magnetic Field. İnt. J. Heat Mass Transfer, 40(8): 1839-1851 Mihaylov, Y.U. 1990. Teploobmen v popereçnom odnorodnom magnitnom pole, İzv, AN LSSR. No2 Nigam S.D., Singh S.N. 1991. Heat transfer by laminar flow between parallel plates under acting of transverse magnetic field, J. Of Mech. And Appl., Mathematics, 8, 65 Perlmutter, M., Siegel. R. 1990. Heat transfer to an electrically conducting fluid flowing in a channel with a transverse magnetic field, NASA TN, D-735 Racabovadiloğlu, Z. 2002. Isı Taşınımına Manyetik Alanın Etkisi. Politeknik Dergisi, 5(4): 293 – 298 Targ, S.M.1951. Osnovniye Zadaçi Teori Laminarhıh Teçeniy. Moskova, 420s. Tastoush, B:, Al- Odat, M., 2004. Magnetic Field Effect on Heat and Fluid Flow Over a Wavy Surface With a Variable Heat Flux. J. Of Magnetism and Magnetic Materials, 268(2004): 357-363 Yılmaz, T. Cihan, E. 1991. Değişik Kesit alanlı Borularda Isı Transferinin Nümerik Hesaplanması. Ç.Ü.Müh. Mim. Fak. Dergisi, 6(2): 101 – 114 Yüncü, H., Kakaç, S. 1999. Temel Isı Transferi. Bilim Yayıncılık, Ankara.454s. Zigel R. 1985. Vliyaniye magnitnogo polya na konvektivnuyu teplootdaçu v kanale, obrazovannom paralelnımi plastinami, Mekanika. No 5