Komşu duvarları farklı sıcaklıkta tutulan dikdörtgensel kapalı ortamlarda doğal taşınım
Natural convection in rectangular enclosures heated and cooled adjacent walls
Yazar: ORHAN AYDIN
Danışman: PROF. DR. TEOMAN AYHAN
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 1998
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Doğal taşınım = Natural convection ; Isı iletimi = Heat conduction ; Kapalı sistemler = Closed systems

Özet:
ÖZET Bu çalışmada, iki boyutlu dikdörtgensel kapalı ortamlardaki laminer doğal taşınım sayısal olarak çalışılmıştır. Akım fonksiyonu-girdap formülasyonu ve Boussinesq yaklaşımı ile elde edilen temel denklemler sonlu fark yöntemleriyle çözülmüştür. Çözümlemede iki durum ele alınmıştır: Daimi ve daimi olmayan doğal taşınım. Daimi doğal taşınım durumu için, Rayleigh sayısı, Prandtl sayısı ve kapalı ortamın boyut oranının akış alanı ve enerji geçişi üzerindeki etkileri bir yan duvarı ısıtılmış, üst duvarı soğutulmuş ve diğer duvarları adyabatik olan bir kapalı ortam için ayrıntılı olarak olarak araştırılmıştır. Hesaplamalar Rayleigh sayısının l02-101 değerleri, Prandtl sayısının 0.01-100 değerleri ve boyut oranının 0.25-4 değerleri için yapılmıştır. Rayleigh sayısının artan değeriyle akış için üç farklı rejim tanımlaması yapılmıştır: İletim, geçiş ve sınır tabaka rejimleri. Akış üzerindeki taşınım etkilerini göstermek için analitik olarak iletim çözümü elde edilmiştir. Prandtl sayısı etkisiyle ilgili bulguları desteklemek için bir skala analizi yapılmıştır. Komşu duvarları farklı sıcaklıklarda tutulan kapalı bir ortam için 0° ve 360° arasındaki eğim açılarında, eğim açısının etkisi araştırılmıştır. En yüksek ve en düşük ısı geçişinin gerçekleştiği açı değerleri belirlenmiştir. Daimi olmayan doğal taşınım durumu için, başlangıçta durgun ve eşsıcaklıklı bir akışkan içeren bir kapalı ortam, bir yan duvarından aniden ısıtılırken üst duvarından aniden soğutulmuş ve bu adım değişikliğinden sonra akış ve sıcaklık alanlarının gelişimi incelenmiştir. Bu çalışmada geliştirilen bilgisayar yazılımını test etmek ve doğruluğunu onaylamak için düşey duvarları farklı sıcaklıkta tutulan karesel bir kapalı ortam gibi farklı konfigürasyonlar ele alınmış ve elde edilen sonuçların literatürde mevcut sonuçlarla karşılatırılması çok iyi bir uyum göstermiştir. Anahtar Kelimeler: Kapalı ortam akışları, doğal taşınım, daimi ve daimi olmayan ısı geçişi, sayısal benzeşim.

Abstract:
SUMMARY Natural Convection in Rectangular Enclosures Heated and Cooled on Adjacent Walls In this study, laminar natural convection in two-dimensional rectangular enclosures is numerically studied. The governing equations obtained through the use of Stream fraction and vorticity formulation and the Boussinesq approximation are solved using finite difference techniques. In the analysis two cases are considered: one concerning steady and the other concerning unsteady natural convection. For the case of steady natural convection, the effects of Rayleigh number, Prandtl number and the aspect ratio of the enclosure on flow pattern and energy transport are investigated in detail for an enclosure heated from one side and cooled from above with other boundaries remaining adiabatic. Computations are carried out for the Rayleigh number range Mf-lO7, Prandtl number range 0.01-100 and aspect ratio range 0.25-4. With the increasing value of Rayleigh number three distinct regimes are described for the flow: Conduction, transition and boundary layer regimes. In order to show convection effects on the flow field, a conduction solution is analytically obtained. A scale analysis is presented for supporting the findings related to the Prandtl number effect.. The effect of enclosure inclination is also investigated by considering various inclination angles between 0° and 360° for an enclosure heated and cooled on adjacent walls. The values of inclination angle at which the maximum and minimum heat transfer rates occur is determined. For the case of unsteady natural convection, an instantaneous temperature change is imposed on one side and the top wall of the enclosure having an initially quiscient fluid with uniform temperature and the development of the flow and temperature fields are investigated. In order test and verify the computer code developed in the present study, different configurations such as a square enclosure having differentially heated vertical walls are also studied and comparison of results obtained with those available in the literature shows a fairly good agreement. Key Words: Enclosure flows, natural convection, steady and transient heat transfer, numerical simulation. VI