Üçgen kesitli kanallarda zorlanmış akış ile ısı transferinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical analysis of heat transfer with forced convection in triangular channels
Yazar: RESUL USLU
Danışman: PROF. DR. NEVZAT ONUR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, tam gelişmiş türbülanslı akış şartlarında yatay eşkenar üçgen kanallarda hidrodinamik olarak tam gelişmiş ısıl olarak gelişmekte olan zorlanmış konveksiyon akışı ve ısı transferi, sabit ısı akısı sınır şartı için nümerik olarak incelenmiştir. Çalışma akışkanı olarak hava (Pr = 0,7) seçilmiştir. Üçgen kanalın malzemesi alüminyum olup kanal içi pürüzsüz olarak kabul edilmiştir. Kanalın bir kenarı 76 mm'dir ve 44 mm'lik hidrolik çapa sahiptir. Kanalın herhangi bir ısıtma soğutma sınır şartının olmadığı 700 mm'lik giriş ve 1050 mm'lik test bölgesi bulunmaktadır. Reynolds sayısının 3000 ile 10000 aralığındaki değerlerinde çalışılmıştır. Diğer taraftan Reynolds sayısı 3000-10000 arası değerler için eşkenar üçgen kesitli kanal tabanına girişten çıkışa kadar yerleştirilen 12 mm kalınlığında ve 10,42 mm ve 20,84 mm (kanal giriş yüzey alanının %5'i ve %10'una tekabül edecek şekilde) yüksekliğinde olan kanatçıkların konulması ile türbülanslı zorlanmış akış performansının nasıl etkilendiği irdelenmiştir. Kanalın ve akış ortamının tasarımı Gambit 2.4.6. modelleme programında yapılmış, ısıl analizler Fluent 12.0.16. paket programında yapılmıştır. Çalışmanın sonucunda test bölgesinde ortalama Nusselt sayısı için, Nu = a x Reb ve ortalama Darcy sürtünme faktörü için f = c x Red şeklinde bağıntılar elde edilmiştir. Elde edilen Nusselt sayıları ve sürtünme faktörleri literatürde bulunan deneysel çalışma sonuçları ile kıyaslanmıştır. Neticede, aynı sınır şartları ve tasarımdaki türbülanslı kanal akışında Reynolds sayılarının artışı ile birlikte Nusselt sayısının ve basınç düşmesinin de arttığı buna bağlı olarak da Reynolds sayısı artışının zorlanmış akışın ısıl performansını olumlu yönde etkilediği tespit edilmiştir. Ayrıca çalışmanın ikinci kısmında, üçgen kanal tabanına yerleştirilen kanatçıkların sağladığı blokaj oranının artması ile kanalın ısıl performansının da arttığı ancak blokaj oranının artması ile daha yüksek basınç düşmeleri ile karşılaşıldığı bunun sonucunda da akışın sürdürülebilmesi için gerekli olan enerji sarfiyatının da arttığı tespit edilmiştir. Çalışma sonucunda, Reynolds sayısı 10000 için ortalama ısı taşınım katsayısının düz kanalda 16,71 W/m2K, % 5 blokajlı kanalda, 19,92 W/m2K ve % 10 blokajlı kanalda ise 22,53 W/m2K olarak gerçekleştiği tespit edilmiştir.Bu durumda üçgen kesitli kanalda ısıl performans açısından % 5 blokaj ile % 19'luk, % 10 blokaj ile de % 34'lük bir performans artışı elde edilmiştir.Anahtar Kelimeler :Üçgenkesitlikanallar,türbülanslıakış,zorlanmışakış, sayısal ısı transfer analizi

Abstract:
In this study, the forced convection of a hydrodynamically fully developed and thermally developing turbulent flow in horizontal equilateral triangular channels have been analysed numerically for the constant heat flux boundary condition. The air (Pr = 0,7) has been selected as the fluid. The material of the triangular channel consists of aluminium and inner surface of the wall is accepted as smooth. One edge of the channel is 76 mm long and its hydraulic diameter is 44 mm. The entrance section of the channel where no heating/cooling implemented is 700 mm and test section is 1050 mm long. In the study, air flow conditions have been created for the Reynolds numbers between 3000 and 10000. In addition, for the Reynolds numbers 3000 to 10000, the effects of the buffles which is put on the bottom surface of the equilateral triangular channel from entrance to the exit section, to thermal performance of the forced convection have been analysed. The width of the buffle is 12 mm and the hight of the buffle is changing with the values; 10,42 mm and 20,84 mm, (according to blokage to entrance surface area ratio %5 and %10 respectively). The design of the channel and flow condition is made on Gambit 2.4.6. modelling program and the thermal analysisis is carried out by Fluent 12.0.16. At the result of the study, fort the mean Nusselt number and mean Darcy friction factor equations in the form Nu = a x Reb and f = c x Red for the test section is obtained. The obtained results have been compared with experimental results of the literature. It is found out that the increase in the Reynolds numbers increases the thermal performance of the channels by increasing the Nusselt number and it also increasing the pressure drop. In the second section of the study it is also determined that as the buffle hight (blokage ratio) increases the thermal performance of the channel also increases. But, as the buffle size increases the pressure drop of the flow also increases and this requires high energy consumption to maintain the flow through channel. It was determined that the mean convection coefficient of the flow through channel without buffle for the Reynolds number 10000 is 16,71 W/m2K, for 5 % blokaged channel, 19,92 W/m2K and for 10 % blokaged channel as 22,53 W/m2K. In this case, the thermal performance of the triangular channel is enhanced around 19 % and 34 % by implementing 5 % and 10 % blokage respectively.Key Words:Triangular channels, turbulent flow, forced convection, nümerical heat transfer analysis