Alt yüzeyine değişik eğim açılarına sahip kanatçıklar yerleştirilmiş dikdörtgen kesitli kanal içerisindeki akış ve ısı transferinin türbülanslı akış koşullarında deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of flow and heat transfer in rectangular cross-sectioned duct with mounted baffles on the bottom surface with different inclination angles under turbulent flow conditions
Yazar: KAMİL ARSLAN
Danışman: PROF. DR. NEVZAT ONUR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Zorlanmış taşınım = Forced convection

Özet:
Bu çalışmada, alt yüzeyine farklı eğim açılarına sahip engel geometrileri yerleştirilmiş olan dikdörtgen kesitli kanal içerisindeki zorlanmış ısı taşınımı türbülanslı akış koşullarında deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Kanalın alt yüzeyine sabit yüzey sıcaklığı sınır şartı uygulanmıştır. Hidrodinamik ve ısıl olarak gelişmekte olan türbülanslı akış şartları kararlı rejim koşullarında incelenmiştir. Akışkan olarak hava (Pr=0,7) kullanılmıştır. Çalışma, türbülanslı akışın geçiş bölgesi ve tam türbülanslı bölge koşulları için gerçekleştirilmiştir. Farklı engel eğim açıları ve farklı Reynolds sayılarında 238 durum için deneysel ve sayısal veri toplanmıştır. Deneysel çalışmalardaki hata oranı Reynolds sayısı, ortalama Darcy sürtünme faktörü ve ortalama Nusselt sayısı için yaklaşık olarak sırasıyla, %1,02, %2,83 ve %3,11 civarında çıkmıştır. Deneysel ve sayısal çalışma sonuçları birbirleri ile kıyaslanmış ve uyum içerisinde oldukları gözlemlenmiştir. Çalışma sonuçları, geçiş bölgesi ve tam türbülanslı akış bölgesi şartlarında farklı engel eğim açıları için ampirik bağıntılar ile ifade edilmiştir. Bunun yanında, tüm engel eğim açılarını kapsayacak şekilde ortalama Nusselt sayısı ve ortalama Darcy sürtünme faktörünün Reynolds sayısı ile değişimini ifade eden tek bir bağıntı geliştirilmiştir. Kanal içerisindeki hız, sıcaklık ve türbülans kinetik enerji dağılımları farklı engel eğim açıları için kontür ve vektör grafikleri şeklinde verilmiştir. Herbir engel eğim açısının verimlilik oranı farklı Reynolds sayıları için elde edilmiştir. Sonuçta, h2=4,5 mm'lik engel yüksekliğinin en yüksek, buna karşılık, h2=9,0 mm'lik engel yüksekliğinin ise en düşük verimlilik oranında olduğu saptanmıştır.

Abstract:
In this study, turbulent flow forced convection heat transfer in horizontal rectangular cross-sectioned duct with baffles mounted on the bottom surface having different inclination angles were investigated both experimentally and numerically. A constant wall temperature boundary condition was imposed on the bottom surface of the duct. Hydrodynamically and thermally developing (simultaneously developing) turbulent flow was investigated under steady-state flow conditions. Air (Pr=0.7) was used as the working fluid. The study was carried out for both transition and fully turbulent flow regions. At different baffle inclination angles and Reynolds numbers, experimental and numerical data were collected for 238 different cases. The experimental error was around 1.02%, 2.83% and 3.11% for the Reynolds number, mean Darcy friction factor and mean Nusselt number, respectively. Experimental and numerical results were compared with each other and it was observed that there was good agreement. The results were presented with emprical correlations for different baffle inclination angles for both transition and fully turbulent flow regions. In addition, a simple equation was obtained for mean Nusselt number and mean Darcy friction factor including all the baffle inclination angles as a function of Reynolds number. The velocity, temperature and turbulent kinetic energy distributions in the duct were given as contour and vector graphs for different baffle inclination angles. A thermal efficiency ratio was obtained for each baffle inclination angle as a function of Reynolds number. Eventually, it was determined that the baffle height of h2=4.5 mm resulted in highest thermal efficiency ratio, while the baffle height of h2=9.0 mm resulted in the lowest thermal efficiency ratio.