Serbest yüzey yakınına yerleştirilmiş silindirler etrafında akış ve ısı geçişinin incelenmesi
Investigation of flow and heat transfer around cylinders located near the free surface
Yazar: ÖZGE YETİK
Danışman: PROF. DR. NECATİ MAHİR
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, serbest yüzeyli akış alanı içerisine yüksekliği ve genişliği D olan iki kare kesitli silindir etrafında akış ve silindirlerde taşınım ile ısı geçişi sayısal olarak incelenmiştir. Akış alanına silindirler art arda ve yan yana yerleştirilip iki ve üç boyutlu simulasyonlar gerçekleştirilmiştir. Akışı ve sıcaklık dağılımını incelemek için üç boyutlu süreklilik denklemi, Navier-Stokes denklemleri ve enerji denklemi çözülmüştür. Basınç ve hızlar Semi Implicit Method for Pressure Linked Equations (SIMPLE) metodu kullanılarak hesaplanmıştır. Viskoz terimlerin ayrıştırılmasında merkezi farklar, taşınım terimlerinin ayrıştırılmasında Quadratic Upwind Interpolation (QUICK) metodu kullanılmıştır. Serbest yüzeydeki akışı değerlendirmek için de Volume of Fluid (VOF) metodu kullanılmıştır. Kodlar FORTRAN programlama dili kullanılarak yazılmıştır. x ve y yönlerinde uniform olmayan ağ yapısı aynı zamanda silindir ve serbest yüzey yakınında daha sık ağ yapısı kullanılmıştır. Pr sayısı 7.0; Fr sayısı 0,3 alınmıştır. Art arda yerleştirilmiş silindirlerin etrafındaki akışın ve ısı geçişinin incelenmesinde Re sayısı 180, 250 ve 400, silindirler arası mesafe 1,5D ve 4,0D alınmıştır. Akış derinliği 16D için serbest yüzeye uzaklık 0,25D; 0,5D; 0,75D; 1,0D; 1,5D; 2,5D; 4,5D ve 5,5D, akış derinliği 4,0D ve 8,0D için serbest yüzeye uzaklık 0,25D; 0,5D; 0,75D; 1,0D ve 1,5D alınmıştır. Yan yana yerleştirilmiş silindirler için akış ve ısı geçişi simulasyonu Re sayısı 180 ve 250, akış derinliği 16D için serbest yüzeye uzaklık 0,25D; 0,75D; 1,5D; 2,5D ve 4,5D; silindirler arası mesafe 0,5D; 1,0D ve 2,0D alınarak, akış derinliği 8D için ise serbest yüzeye uzaklık 0,25D; 0,75D; 1,5D ve 2,5D; silindirler arası mesafe 0,5D; 1,0D ve 2,0D alınarak incelenmiştir. Çalışmada serbest yüzeyin altındaki silindirlerin arasındaki ve iz bölgesindeki girdap ve eş sıcaklık eğrileri elde edilmiştir. Serbest yüzeye uzaklığının, silindirler arasındaki mesafenin, akışın derinliğinin ve Re sayılarının; ortalama direnç katsayısına, kaldırma kuvveti katsayısının maksimum değerine, Strouhal ve Nusselt sayılarına etkileri araştırılmıştır.

Abstract:
In this study, two and three dimensional numerical simulations were performed to examine the heat transfer and flow around tandem and side-by-side square cylinders placed in a channel with a free surface. Three-dimensional continuity, Navier-Stokes equation and the energy equation were solved. The pressure and velocity field were calculated by applying the Semi Implicit Method for Pressure Linked Equations (SIMPLE). The viscous terms were discretized by employing a central-difference formula, and the convective terms were discretized by Quadratic Upwind Interpolation (QUICK) method. Volume of Fluid method (VOF) were used to evaluate the free surface. The computer codes were written using the FORTRAN programming language. Nonuniform grid structure were used in the simulation with denser grids near the free surface and the cylinders. The Pr number and Fr number were kept constant as 7.0 and 0.3 respectively in this study. For the flow around and heat transfer from the tandem cylinders; Reynolds numbers of 180, 250 and 400, the distance between the cylinders of 1.5D and 4.0D were applied. For the flow depth of 16D; the distance to free surface of 0.25D, 0.5D, 0.75D, 1.0D, 1.5D, 2.5D, 4.5D and 5.5D were applied. For the flow depth of 4D and 8D; the distance to free surface of 0.25D, 0.5D, 0.75D, 1.0D and 1.5D were employed. For the simulations of flow and heat transfer from the side-by-side cylinders; Reynolds numbers of 180 and 250 were applied. For the flow depth of 16D; the distance to free surface of 0.25D, 0.75D, 1.5D, 2.5D and 4.5D, the distance between the cylinders of 0.5D, 1.0D and 2.0D were applied. For the flow depth of 8D; the distance to free surface of 0.25D, 0.75D, 1.5D and 2.5D, the distance between the cylinders of 0.5D, 1.0D and 2.0D were employed. The vorticity contours and isotherms were obtained between the cylinders and in the downstream region. The effect of the distance to the free surface, between the cylinders, the depth flow and the Re numbers on the mean of the drag coefficient, on the maximum value of the lift coefficient, and on the Strouhal and Nusselt numbers were investigated. The effect of the distance of the free surface, between the cylinders, the depth flow and the Re numbers were investigated on the mean of the drag coefficient, on the maximum value of the lift coefficient, and on the Strouhal and Nusselt numbers.