Akış yönlendirici plakaların çıkıntılı ısı kaynaklarından karışık konveksiyonla laminar ısı transferine etkisinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of effect of flow routing plates on laminar mixed convection heat transfer from protruded heat sources
Yazar: BURAK KURŞUN
Danışman: PROF. DR. MECİT SİVRİOĞLU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Transferi Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Konveksiyon =   ; Laminer akış = Laminar flow

Özet:
Bu çalışmada, akış yönlendirici plakaların yatay bir kanal içerisindeki çıkıntılı ısı kaynaklarından karışık konveksiyonla laminar ısı transferine etkisi deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Soğutucu akışkan olarak hava kullanılmış ve yüzeyleri yalıtılmış olan dikdörtgen kanal içerisine 4x8'lik diziler halinde ısıtıcılar yerleştirilmiştir. Çalışmada, plakalar arası mesafenin kanal yüksekliğine oranının (LP/H) 3/20, 1/10, 1/20 ve plaka açısının (α) 0˚,30˚,60˚olduğu değerler için farklı Reynolds (Re) ve düzeltilmiş Grashof (Gr*) sayılarında deneysel ve sayısal incelemeler yapılmıştır. Çalışmada önce, ısıtıcıların kanal alt ve üst yüzeylerinde bulunması koşulunda ısıtıcı bölgesi girişine plaka yerleşiminin yapıldığı ve yapılmadığı durumlar için deneysel çalışma gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmada, plaka açısının 30˚ ve LP/H oranının 3/20 olduğu durumlar için farklı Re ve Gr* değerlerinde Nusıra ort. ve sıcaklık dağılımları incelenmiştir. Farklı plaka açısı (α) değerlerinin (0˚,30˚,60˚) ısı transferine etkileri ise deneysel çalışma sonuçları ile uyumlu sayısal sonuçlar elde edildikten sonra sayısal olarak araştırılmıştır. Yapılan analizlerde, plaka yerleşiminin yalnızca alt yüzeydeki ısıtıcılarda ilk dört ısıtıcı sırasındaki, üst yüzeydeki ısıtıcılarda ise ilk ve son ısıtıcı sıralarındaki ısı transferi miktarını artırdığı anlaşılmıştır. Bundan sonra, ısı transferini iyileştirilerek daha uygun soğutma koşullarını oluşturabileceği düşünülen, ısıtıcılar yan yüzeylerde iken akış yönlendirici plaka kullanılması durumunun sayısal olarak incelenmesine karar verilmiştir. Bu doğrultuda öncelikle LP/H oranının 3/20 değeri için ısıtıcı bölgesi girişine 0˚,30˚,60˚ açı ile plaka yerleşimi yapılarak ısı transferi miktarında iyileştirme yapılması hedeflenmiştir. Yapılan sayısal çalışma sonucunda, Gr*, Re sayılarının ve plaka açılarının tüm değerleri için plakasız duruma göre farklı oranlarda ısı transferi artışı görülmüştür. En yüksek ısı transferi artışı ise plaka açısının 60˚ olduğu durumda elde dilmiştir. Çalışmada sayısal olarak analiz edilen bir diğer durum ise periyodik plaka yerleşim düzenidir. Periyodik plaka yerleşim düzeni için yapılan sayısal çalışma ise, plakalar arası mesafenin kanal yüksekliğine oranının (LP/H) 3/20, 1/10, 1/20 ve plaka açısının 0˚,30˚,60˚ olduğu değerlerde farklı Re ve Gr* sayılarında gerçekleştirilmiştir. Sayısal çalışma sonucunda elde edilen bulgular, periyodik plaka yerleşimi ile tüm parametre değerleri için plakasız duruma göre ısı transferi miktarının arttığını göstermiştir. Plaka açısının 30˚, LP/H oranının 3/20 olduğu koşullarda plakasız duruma göre en yüksek ısı transfer artışı meydana gelmiştir. Ayrıca çalışmada farklı Re sayısı, plaka açısı ve LP/H oranı değerleri için basınç kaybına bağlı teorik fan gücü (Nfan) değişimleri incelenerek enerji gereksinimleri belirlenmeye çalışılmıştır.

Abstract:
In this study, the effect of using flow routing plates on the laminar mixed convection heat transfer from protruded heat sources in a horizontal channel is investigated experimentally and numerically. Air is used as coolant fluid and protruded heat sources were equipped as 4x8 rows into the rectangle channel that have insulated walls. In the study, experimental and numerical investigatings are performed for the interplate distance to channel heigth ratio (LP/H) of 3/20 and plate angles (α) of 0˚,30˚,60˚ at different Reynolds (Re) and modified Grashof (Gr*) numbers.  Experimental study is first performed for the case with a plate placement to the entrance of heater area and without any plate when the top and bottom walls of the channel were equipped with heat sources. In the experimental study,  Nurow ave. and temperature distribution are investigated for LP/H of 3/20 and plate angle (α) of 30˚ at different Re and Gr* numbers. Effect of different plate angles (0˚,30˚,60˚) on heat transfer however,  is analyzed numerically after compatible numerical results with experimental ones were obtained. In the analyses, it is investigated that use of plate has only provided heat transfer enhancement for the first four heater rows which are placed at the bottom wall, and the first and the last heater rows which are placed at the top wall. Then, it is decided to investigate numerically, the use of flow routing plate for the case of side walls were equipped with heat sources which is expected to improve the heat transfer. In this direction first, plate is placed to the entrance of heater area for LP/H of 3/20 and plate angles (α) of 0˚,30˚,60˚ and it is aimed to improve heat transfer rate. From the result of numerical stduy, it is observed that different ratios of heat transfer enhancement occur compared to the case without plate for all values of Gr*,Re numbers and plate angles. The highest heat transfer increase is occured for the plate angle of 60˚.  In the study, the other case analyzed numerically is the case in which the plates are placed periodically. Numerical study is performed for LP/H of 3/20, 1/10, 1/20 and plate angles (α) of 0˚,30˚,60˚ at different Re and Gr* numbers for this periodic plate case. Results obtained from the numerical study have indicated that heat transfer increases with periodic plate case for all values of parameters. The highest heat transfer increase occurs at the plate angle of 30˚  and LP/H of 3/20. Also in this study, theoretical fan power (Nfan) variations due to pressure loss are investigated and energy requirements are tried to be determined.