Borularda geçici rejim zorlanmış taşınım problemlerinin değişik sınır şartları için sayısal çözümü
Numerical solution of transient forced convection problems in pipes for different boundary conditions
Yazar: ELİF EKİZ
Danışman: DOÇ. DR. TÜLİN BALİ
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Boru akışı = Pipe flow ; Sayısal çözüm = Numerical solution ; Sınır koşulları = Boundary conditions

Özet:
Bu çalışmada borularda geçici rejim, sıkıştırılamaz, iki boyutlu, eksenel simetrik, laminer ve türbülanslı zorlanmış taşınım problemleri sayısal olarak çözülmüştür. Enerji denkleminin çözümünde kullanılan cidar sınır şartları sabit sıcaklık, sabit ısı akısı, kademeli sıcaklık, kademeli ısı akısı, birleşik sabit sıcaklık ve ısı akısı, üçgen ısı akısı ve sinüzoidal ısı akısıdır. Çalışmada aynı zamanda akışkan giriş sıcaklığının sinüzoidal olarak değişmesi de incelenmiştir. Programın doğruluğunu kanıtlamak amacıyla sabit sıcaklık ve sabit ısı akısı sınır şartları için laminer ve türbülanslı boru akışları incelenmiş ve sürekli rejimdeki Nusselt sayısı değerlerine ulaşılmıştır. Ayrıca sabit sıcaklık sınır şartında laminer boru akışı sonuçları literatürdeki sonuçlar ile karşılaştırılmış ve iyi uyum elde edilmiştir. Çalışmada zaman adımı, iterasyon sayısı ve relaksasyon sabiti arasındaki ilişki araştırılmıştır. Kademeli sınır şartı için yapılan incelemelerde kademeler arasındaki geçişlerde ısıl kararsızlıklar görülmüştür. Üçgen ısı akısı sınır şartında ısı akısının minimum olduğu boru çıkış bölgesinde yerel Nusselt sayılarında düşüşler meydana gelmektedir. Sinüzoidal ısı akısı sınır şartında boru ortasında ısı akısı değeri sıfır olmakta ve ısıl şoklar meydana gelmektedir. Pik noktaların değerleri laminer ve türbülanslı her iki akış tipinde zamanla artış göstermektedir. Sinüzoidal giriş sıcaklığı sınır şartında boru merkezindeki sıcaklık genliklerinin boru boyunca eksponansiyel olarak azaldığı belirlenmiştir.

Abstract:
In this study, incompressible, two-dimensional, axisymmetric, transient laminar and turbulent forced convection problems in pipes were solved numerically. The wall boundary conditions which are used to solve the energy equation are constant temperature, constant heat flux, step temperature, step heat flux, conjugated constant temperature and heat flux, triangular heat flux and sinusoidal heat flux. In this study, inlet temperature varying sinusoidally with time was also investigated. To verify the program, the laminar and turbulent pipe flows for constant temperature and constant heat flux boundary conditions were investigated and the steady-state Nusselt number values were obtained. The results of this study and the literature for the laminar pipe flow with constant temperature were also compared and a good agreement was obtained. In the present study, the relations between the time step, the iteration number and the relaxation factor were investigated. Thermal instabilities in the transitions between the steps were observed for the analysis of the step boundary conditions. Drops occurred in the local Nusselt numbers in the pipe exit region which the heat flux was minimum for the triangular heat flux boundary condition. When the heat flux is sinusoidal, the heat flux in the middle of the pipe is zero and thermal shocks are seen. The values of peak points are increased with time for the laminar and turbulent flows. It was determined that centerline temperature amplitudes decrease exponentially along the pipe in the sinusoidal inlet temperature boundary condition.