Bir kanal içerisinde yan yana ve art arda yerleştirilmiş dairesel kesitli silindirler etrafında akış ve karışık taşınım ile ısı geçişinin incelenmesi
Investigation of mixed convection heat transfer and flow around tandem and side by side confined circular cylinders
Yazar: ÖZLEM USLU
Danışman: PROF. DR. NECATİ MAHİR ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ZERRİN SERT
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında düşey bir kanal içerisinde tek, yan yana ve art arda yerleştirilmiş dairesel kesitli silindirler etrafında tümleşik (doğal+zorlanmış) taşınım ile ısı geçişi incelenmiştir. Tek silindirden elde edilen sonuçlar kullandığımız program sonuçlarının doğruluğunu tespit etmek için literatürdeki diğer çalışmalarla karşılaştırılmıştır. Simülasyonlar Re=100, 150 ve 200 değerleri için Richardson sayısı -1, ve +1 aralığında 9 farklı değer için analiz edilmiştir. Çalışma akışkanı hava (Pr=0.7) ve su (Pr=7) seçilmiştir. Simülasyonlar ticari Ansys/Fluent® yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Her iki silindir üzerindeki akış parametreleri olan kaldırma, sürüklenme katsayılarının ve ısı transferi karakteristiği olan Nusselt sayısının zaman ile değişimleri elde edilmiştir. Yan yana yerleştirilmiş iki silindirler için iki silindir arası mesafe (T/D), 4D ve 2D olarak alınmıştır, silindir merkezi ile kanal cidarları arası mesafe (S/D) 5, 3 ve 2 olarak alınmıştır. Art arda iki silindirler için silindirler arası mesafe (L/D), 2.5D ve 5D olarak alınmıştır. Kanal genişliği (H/D) 10, 5 ve 3.33 olarak alınmıştır.  Silindirlerin, birbirine göre konumu ve sınırlandırılmış kenar cidarına göre konumu girdap oluşumunda önemli bir parametre olduğu bu çalışmada tespit edilmiştir. Yan yana yerleştirilmiş silindirlerde tüm Reynolds ve Richardson sayılarında sürüklenme katsayısı ve ortalama Nusselt sayısı silindirler arası mesafenin 2D olması durumunda 4D'ye nazaran daha yüksek çıktığı tespit edilmiştir. Düşük Reynolds sayılarında Pr=0.7 de doğal taşınımın zorlanmış taşınımı destekleyen etkisinin yüksek Ri sayılarında iz bölgesinde vortex oluşumunu bastırdığı, buna karşılık termal yayınımın düşük olduğu Pr=0.7 de kanal duvarlarının blok etkisinin artmasının vorteks oluşumunu tekrar tetiklediği belirlenmiştir.Art arda yerleştirilmiş silindirler için ise tüm Reynolds ve Richardson sayılarında ortalama Nusselt sayısı silindirler arası mesafenin 5D olması durumunda 2.5D'ye nazaran daha yüksek çıktığı tespit edilmiştir. Re=100, her hem su (Pr=7) hem de hava (Pr=0.7) için  blok etkisinin en fazla H/D=3.33 de 1. silindir üzerinde en yüksek Nusselt sayıları gözlemlenmiştir. İkinci silindir üzerindeki Nusselt sayıları 1. Silindir üzerindekinden daha düşük olduğu görülmüştür. 2. Silindir üzerindeki Nusselt sayıları Ri-0.25 için genellikle blok oranının artması ile artmıştır

Abstract:
In this study, combined heat transfer (natural + forced convection) from from a circular cylinder and the cylinders placed side by side and tandem in a vertical channel was investigated. The results obtained from a single cylinder were compared with other studies in the literature The simulations were analyzed at 9 different Richardson numbers in the range of -1, and +1 for Re=100, 150 and 200. The working fluids are air (Pr=0.7) and water (Pr=7). Simulations were performed using commercial Ansys/Fluent® software. As the flow parameters, the variation of the lift and drag coefficients and as the heat transfer characteristic, also the Nusselt number variation in transient flow were obtained. For two cylinders placed side by side, the distance between the two cylinders (T/D) is taken as 4 and 2, the distance between the cylinder center and the channel walls (S/D) is taken as 5, 3 and 2. The distance between the cylinders (L/D) for tandem arrangement was selected 2.5 and 5 and channel width (H/D) was 10, 5 and 3.33. It has been determined in this study that the location of the cylinders relative to each other and to the channel wall are important parameters in the vortex formation. As a result; It has been determined that the drag coefficient and the average Nusselt number in all Reynolds and Richardson numbers in the cylinders placed side by side are higher than 4D when the distance between the cylinders is 2D.  It was determined that the aiding effect of the natural convection suppresses the vortex formation in the wake region at low Reynolds numbers and high Ri numbers for Pr=0.7, whereas the increase of the block effect of the channel walls at Pr=7, where thermal diffusion is low, triggers the vortex formation again. For cylinders placed in tandem, the average Nusselt number in all Reynolds and Richardson numbers was found to be higher than 2.5D when the distance between the cylinders is 5D. At Re=100 for both water (Pr=7) and air (Pr=0.7), the highest Nusselt numbers were observed on the 1st cylinder at H/D=3.33 where the blocking effect is largest. Nusselt numbers on the second cylinder were found to be lower than on the 1st cylinder. Nusselt numbers on the second cylinder generally increased with increasing block ratio for Ri-0.25.