Fonksiyonel derecelendirilmiş dairesel kanatçıklar ile ısı transferi iyileştirmenin deneysel incelenmesi
Experimental investigation of heat transfer improvement with functionally graded circular fins
Yazar: İBRAHİM ŞAFAK
Danışman: PROF. DR. SİBEL GÜNEŞ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Isı geçişi = Heat transfer

Özet:
Bu çalı¸smada, açılı bir silindir üzerine yerle¸stirilmi¸s fonksiyonel derecelendirilmi¸s (FD)
kanatçıklar ve homojen alüminyum kanatçık dizilerinin dogal ta¸sınım yoluyla ısı transferi, ˘
hem deneysel yöntemler hem de Taguchi yöntemi kullanılarak kapsamlı bir ¸sekilde
incelenmi¸stir. Çalı¸sma, kanatçıkların imal edildigi malzeme yapısının ve kanatçık ˘
aralıgının do ˘ gal ta¸sınımla gerçekle¸sen ısı transferi üzerindeki etkilerini ve dairesel ˘
kanatçıkların ısıl performansını analiz etmeyi hedeflemi¸stir. Bu amaç dogrultusunda, ˘
optimum hacimsel kompozisyonu bir dizi sonlu elemanlar analizi ile belirlenen ve
yüksek ısıl iletkenlik katsayısına sahip alüminyum ve bakır bile¸siminden olu¸san FD
dairesel kanatçıklar ve homojen alüminyum kanatçıklar, toz metalürjisi ve sıcak presleme
teknikleri kullanılarak üretilmi¸stir. Çalı¸smada, kanatçıkların malzeme yapısının ısıl
performansa etkilerini degerlendirmek amacıyla kanatçık çapı 90 mm ve kalınlı ˘ gı 2.5 mm ˘
sabit tutulmu¸s, deneyler 25-150 W aralıgında de ˘ gi¸sen 6 farklı güç seviyesi ve 3-7-11-21 ˘
ve 25 kanatçık sayıları için ve silindir açısının da 0'dan 75'e 15'er derece aralıklarla
degi¸sti ˘ gi deneyler gerçekle¸stirilmi¸stir. Elde edilen bulgular, açı artı¸sıyla ısı transferinin ˘
her iki kanatçık türü için de azaldıgını, ancak her güç seviyesinde FD kanatçıkların net ˘
ısı transferinin ve ısıl performans ölçütü olan etkenlik degerinin homojen alüminyuma ˘
kıyasla daha yüksek oldugunu göstermi¸stir. Deneysel çalı¸smada, kanatçık sayısının 7 ˘
oldugu durumda ısı transferinin maksimum seviyeye ula¸stı ˘ gı saptanmı¸s ve bu bulgu ˘
Taguchi yöntemi ile de dogrulanmı¸stır. Sonuçlar, FD kanatçıkların, homojen kanatçıklara ˘
göre daha üstün ısıl performans sergiledigini ve özellikle de ˘ gi¸sen güç seviyelerinde daha ˘
verimli ısı transferi sagladı ˘ gını ortaya koymaktadır.

Abstract:
In this study, the natural convection heat transfer over an inclined cylinder with
functionally graded (FG) fins and homogeneous aluminum fin arrays has been
comprehensively investigated using both experimental methods and the Taguchi
technique. The study aims to analyze the effects of material composition and fin spacing
on natural convection heat transfer and thermal performance of circular fins. To achieve
this goal, functionally graded circular fins composed of aluminum and copper with
high thermal conductivity were fabricated using powder metallurgy and hot pressing
techniques, and their optimal volumetric composition was determined via a series of
finite element analyses.Experimental trials were conducted with a fixed fin diameter of
90 mm and thickness of 2.5 mm, encompassing 6 different power levels ranging from
25 W to 150 W, and varying fin numbers (3, 7, 11, 21, and 25) with cylinder inclination
angles incremented from 0 to 75 degrees in 15-degree intervals. Additionally, through
both experimental and numerical methods, temperature distributions along the radius
of fins with each material composition were determined and compared.The findings
indicate that heat transfer decreases with increasing inclination angle for both types of
fins; however, functionally graded fins consistently exhibited higher heat transfer rates
and effectiveness compared to homogeneous aluminum fins across all power levels. In
particular, experimental results identified maximum heat transfer occurring at 7 fins,
a conclusion validated by the Taguchi method. Furthermore, functionally graded fins
were found to offer a more uniform temperature distribution along the radius.These
results underscore the superior thermal performance of functionally graded fins over
homogeneous fins, highlighting their potential for enhancing energy efficiency, especially
under varying power levels.