Girdap etkili çarpmalı jetlerin kanatçıklı yüzeylerdeki ısı geçişine etkisinin deneysel ve sayısal incelenmesi
Experimental and numerical investigation of the effect of swirl impinging jets on heat transfer from finned surfaces
Yazar: FATİH DEMİR
Danışman: PROF. DR. OĞUZ TURGUT
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik ve Isı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Dönmeli jetler = Swirl jets ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic ; Çarpan hava jetleri = Impinging air jets

Özet:
Mevcut tezde yüksek ve üniform ısı transferi istenen elektronik elemanlar için farklı çarpmalı jetler ile çarpma plakalarının ısı transferi ve akış alanı üzerine etkileri incelenmiştir. İlk olarak, düz plakaya çarptırılan dairesel jet sınırlandırılmamış ve sınırlandırılmış jet durumları için düşük lüle-plaka mesafesinde deneysel ve sayısal olarak çalışılmıştır. Sonuçlarda, sınırlandırılmış jet durumundaki ortalama Nusselt sayısının, sınırlandırılmamış jet durumuna göre %20-%30 arasında düşüş gösterdiği görülmüştür. Lüle-plaka mesafesinin artmasıyla sınırlandırılmamış jet durumundaki basınç düşüşü azalmış, sınırlandırılmış jet durumundaki basınç düşüşü de artmıştır. İkinci olarak, dönen çarpmalı jette çarpma plakası üzerine tanımlanan üç farklı hesaplama alanı yüksekliklerinin ısı transferine etkileri sayısal olarak incelenmiştir. Daha sonra Reynolds sayıları ve düşük lüle-plaka mesafeleri parametrik olarak çalışılmıştır. Sonuçlarda, hesaplama alanı yüksekliğinin düşük lüle-plaka mesafesinde ısı transferini etkilediği görülmüştür. Üniform ısı transferini olumsuz etkileyen eyer şeklindeki profil oluşumu görülmüştür. Üçüncü olarak, birleşik lülelerle üretilen hem dairesel hem helisel jetler lüle-plaka mesafeleri (H/D = 0,1-3,2), toplam debiler (Qt = 60-85 L/dk), debi oranları (Q* = 0,176-0,823), sınırlandırılmamış ve sınırlandırılmış jet durumları için düz veya kanatçıklı plakalara çarptırılarak deneysel ve sayısal olarak çalışılmıştır. Sonuçlarda, Q* = 0,823'te lüle-plaka mesafesinin 0,8 ≤ H/D ≤ 1,6 olduğu aralıkta ısı transferinin düz plaka üzerinde her yerde aynı dağılımı gösterebileceği görülmüştür. Eş eksenli dairesel ve dörtlü helisel jetler ile kanatçık boyları 2 ve 6 mm olan plakalarda H/D = 3,2'de düz plakaya göre ısı transferinde meydana gelen artışlar sırasıyla yaklaşık olarak %20 ve %57'dir. Son olarak, birleşik lüle ile düz plakanın ısı transferi ve akış alanına etkisi girdap numaraları (Sg = 0,0-1,661) ve debi oranları (Q* = 0,2 ve 0,466) için sınırlandırılmamış ve sınırlandırılmış jet durumlarında sayısal olarak çalışılmıştır. Sonuçlarda, artan debi oranının durma noktası ve ortalama Nusselt sayılarını azalttığı görülmüştür. Yüksek debi oranında artan girdap numarası, düşük debi oranına göre durma noktası ve ortalama Nusselt sayılarında büyük azalmalara neden olmuştur. Dönme yoğunluğunun artmasına rağmen, üniform ısı transferini olumsuz etkileyen eyer şeklindeki profil oluşumu görülmemiştir.

Abstract:
In this thesis, the effects of different impingement jets and impingement plates on heat transfer and flow field for electronic components where high and uniform heat transfer is required are investigated. Firstly, the circular jet impinging on a flat plate is studied experimentally and numerically for unconfined and confined jet cases at low nozzle-plate distance. The results show that the average Nusselt number in the confined jet case decreases by 20% to 30% compared to the unconfined jet case. As the nozzle-plate distance increases, the pressure drop in the unconfined jet case decreases while the pressure drop in the confined jet case increases. Secondly, the effects of three different computational domain heights defined on the impingement plate in the swirl impinging jet on heat transfer are investigated numerically. Then, Reynolds numbers and low nozzle-plate distances are studied parametrically. The results show that the the computational domain height affects the heat transfer at low nozzle-plate distance. A saddle-shaped profile is observed, which negatively affects the uniform heat transfer. Thirdly, both circular and helical jets produced with combined nozzles are studied experimentally and numerically by impinging on flat or finned plates for nozzle-plate distances (H/D = 0.1-3.2), total flow rates (Qt = 60-85 L/min), flow rate ratios (Q* = 0.176-0.823), unconfined and confined jet cases. The results show that the heat transfer can show the same distribution everywhere on the flat plate in the range where nozzle-plate distance is 0.8 ≤ H/D ≤ 1.6 at Q* = 0.823. The increase in heat transfer at H/D = 3.2 for coaxial circular and quadruple helical jets and plates with fin lengths of 2 and 6 mm is approximately 20% and 57% compared to the flat plate, respectively. Finally, the effect of the combined nozzle and flat plate on the heat transfer and flow field is studied numerically for swirl numbers (Sg = 0.0-1.661) and flow rate ratios (Q* = 0.2 and 0.466) in unconfined and confined jet cases. The results show that increasing the flow rate ratio reduces the stagnation point and the average Nusselt numbers. The increasing swirl number at a high flow rate ratio causes large decreases in stagnation point and average Nusselt numbers compared to the low flow rate ratio. Despite the increase in swirl density, saddle-shaped profile is not observed that negatively affects uniform heat transfer.