Çukur ve tümsek plakalarda çoklu çarpan jetler için ısı ve akış karakteristiğinin incelenmesi
Investigation of heat and flow characteristics for multiple-impinging jets in convex and concave plates
Yazar: PERİHAN ÇULUN
Danışman: PROF. DR. KAZİM PIHTILI ; PROF. DR. NEVİN ÇELİK
Bingöl Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu tez çalışmasında çoklu çarpan jetler tümsek ve çukur şekilli pürüzlü yüzeylere ve kıyas amacıyla düz yüzeye çarptırılmıştır. Çalışmada tümsek şekiller düz bir plakanın üst yüzeyinde farklı çaplarda çıkıntılar (bombe) açılarak elde edilmiştir. Benzer şekilde oluşturulan başka bir plakanın ters-yüz edilmesi durumu tümsek şekillerin çukur haline dönüşmesi durumudur ve çukur şekilli pürüzlü yüzeyler bu şekilde oluşturulmuştur. Düz, tümsek ve çukur şekilli plakalara çarpan çoklu jetler karşılıklı konumlandırılırken üst, alt ve kenarlardan akışın çevreye çıkış durumları sınırlandırılmıştır. Şöyle ki, tek bir çıkış verilmesi durumu maksimum çapraz akış, dört çıkış verilmesi durumu ise minimum çapraz akış olarak adlandırılmış ve bu durumlar altındaki akış karakteristiği incelenmiştir. Bunlara ek olarak, her plaka için ayrı ayrı jetler arası boyutsuz mesafe (Xn/Dj), plakalar arası boyutsuz mesafe (Zn/Dj) ve Reynolds (Re) sayısının da etkisine bakılmıştır. Çalışmanın ısı transferi sonuçları sıra ortalamalı, alan ortalamalı ve yerel Nusselt sayıları cinsinden sunulmuştur. Akış karakteristiği ise çeşitli hız ve akım çizgileri sunumlarıyla gösterilmiştir.
Çoklu çarpan jetlerde ısı ve akış karakteristiğini etkileyen pek çok parametre olması ve deneysel çalışmada bu durumun yüksek maliyet ve zaman gerektirmesi çalışmayı sayısal olarak incelemeye yöneltmiştir. Ancak, yapılan sayısal çalışmada yüksek doğruluk elde edebilmek amacıyla bazı referans deneysel çalışmalar yapılmıştır. Deneysel Nusselt sayısı ile muadil akış modeli için bulunan sayısal Nusselt sayısı arasında %4.67 hata payı bulunmuştur. Deneysel doğrulama dışında, ağ, iterasyon ve yakınsama doğruluğu gibi sayısal çalışmanın çeşitli doğrulama analizleri yapılmıştır.
Geniş parametrik spektrum altında gerçekleştirilen çalışmada ısı transferini ve akış karakteristiğini etkileyen en önemli parametrenin çapraz akış türü olduğu anlaşılmıştır. Diğer tüm parametrelerden farklı olarak özellikle minimum çapraz akış durumunda en iyi ısı transferinin sağlandığı tespit edilmiştir. Maksimum çapraz akış sonuçları minimuma çapraz akışa göre çok düşük çıkmıştır. Diğer parametrelerin etkisi ise her plaka için ayrı ayrı ele alınmıştır. Maksimum çapraz akışta en iyi ısı transferi düşük plaka mesafesi (Zn/Dj = 2) ve yüksek jet mesafesinde (Xn/Dj = 4) elde edilmiştir. Minimum çapraz akışta en iyi ısı transferinin genel olarak düşük jet mesafesinde (Xn/Dj = 2) elde edildiği görülmüştür.
Anahtar Kelimeler: Çarpan jet, çoklu çarpan jetler, pürüzlü yüzey, ısı transferi, akış analizi, sayısal analiz, hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD), çapraz akış.

Abstract:
In this thesis, multiple impinging jets were impinged to convex and concave dimpled shaped surfaces and flat surface for comparison. In the study, convex shapes were obtained by opening ridges (bumps) of different diameters on the upper surface of a flat plate. Inversion of another similarly formed plate is when bumps turn into a pit, and concave shaped surfaces are formed in this way. Multiple jets impinging to flat, convex and concave shaped plates are positioned opposite each other, while the flow to the environment from the top, bottom and edges are limited. That is, the state of giving a single output is called maximum cross flow, and the situation of giving four outputs is called minimum cross flow and the flow characteristics under these conditions are examined. In addition to these, the effect of the dimensionless distance between the jets (Xn / Dj), the dimensionless distance between the plates (Zn/Dj) and Reynolds (Re) were investigated for each plate. Heat transfer results of the study are presented in line average, area average and local Nusselt numbers. The flow characteristic is shown by various speed and stream line presentations.
The study is considered as a numerical study in terms of the fact that there are many parameters affecting the heat and flow characteristics of multi jets and that it is both costly and time consuming to investigate all of them experimentally. However, some reference experimental studies have been conducted to determine the accuracy of the numerical study. According to the results obtained with the experimental measurement and numerical results for the equivalent flow model, Nusselt numbers were close to each other with an error margin of 4.67%. In addition the corresponding mesh accuracy, iteration accuracy, convergence accuracy were obtained for all other parameters.
In the study carried out under a wide parametric spectrum it was understood that the most important parameter affecting the heat transfer and flow characteristic is the cross flow effect. Unlike all other parameters, it is determined that the best heat transfer is provided especially in the case of minimum cross flow. The effect of other parameters is handled separately for each plate. The best heat transfer at maximum cross flow was obtained at low plate distance (Zn/Dj = 2) and high jet distance (Xn/Dj = 4). It was found that the best heat transfer at minimum cross flow was generally achieved at low jet distance (Xn/Dj = 2)
Keywords: Impinging jet, multiple impinging jets, dimpled surfaces, heat transfer, Nusselt number, flow analysis, numerical analysis, computational fluid dynamics (CFD), cross
flow.