Salınımlı akış için dalgalı yüzeyli kanallarda ısı geçişi ve basınç düşümünün lattıce boltzmann metoduyla sayısal incelenmesi
Numerical investigation of heat transfer and pressure drop in wavy channels for pulsatile flow with lattice boltzmann method
Yazar: MERT ÖZSABAN
Danışman: PROF. DR. HASAN RIZA GÜVEN
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmanın amacı, salınımlı akışın farklı dalgalı kanal geometrilerinde ısı transferi ve basınç düşümünü Lattice Boltzmann Metodu (LBM) ile incelemektir. Bu bağlamda, iki boyutlu bir kanalda kararlı ve kararsız sıkıştırılamaz akış ve ısı transferinin sayısal analizi Fortran'da programlanan kod ile yapılmıştır. Momentum ve enerji hesaplamaları LBM ile modellenmiştir. Bu çalışmada, tek rahatlama zamanı kuralı ile kare ağ yapısı kullanılmıştır. Bu tez çalışmasında Re=50,100,200,300, Pr=0,7, alt ve üst duvar sabit sıcaklıkta iki farklı keskin kenarlı dalgalı duvar yapısına sahip bir kanalda farklı frekans ve genlikteki salınımlı akışla iki boyutlu Lattice Boltzmann Metoduyla (LBM) ve ticari HAD programı olan Fluent'de çözümler yapılmıştır. Boyutsuz frekans F=400 ve F=200 ve boyutsuz genlik u_A^*=0,5, u_A^*=0,25 olarak her bir LBM ve Fluent çözümünde geometriler (maksimum kanal genişliğinin yarısı) b=7,5 (dar) ve b=10 (geniş) olacak şekilde çözümler yapılmıştır. Kararlı rejim, farklı frekans ve genliklerdeki akışlar ile iki boyutlu farklı iki dalgalı kanalda çözümler yapılmıştır. Bu çözümler Lattice Boltzmann metodunun farklı yöntemleri ile yapılmıştır. Bu yöntemler merdiven, MLS, FH ve ekstrapolasyon olmuştur. Bu yöntemlerle elde edilen sonuçlar hem birbiriyle hem de Fluent'le çözülerek karşılaştırılmıştır. Bu kapsamda akışların sürtünme faktörü ile Nusselt sayıları incelenmiş olup yapılan çözümlerde değerlerin oldukça birbirine yakın çıktığı görülmüştür. Çoğunlukla en yüksek değerler ekstrapolasyon ve merdiven yöntemleriyle elde edilen çözümlerle çıkmış olup en düşük değerler Fluent ile yapılan çözümlerden elde edilmiştir. FH ve MLS yöntemlerinin Fluent'e en yakın çıkan değerler olduğu görülmüştür. b=7,5 dalgalı kanalının b=10 dalgalı kanala göre Nusselt sayısının  ve sürtünme faktörünün daha yüksek çıktığı görülmüştür. Bu çözümler sırasında akışın sıkıştırılamaz olduğu ve malzeme özelliklerinin aynı olduğu kabulü yapılmıştır. Dar kanalda ısı transfer miktarının daha fazla olduğu belirlenmiştir. Her durumda Reynolds sayısı arttıkça Nusselt sayının arttığı buna mukabil sürtünme faktörünün azaldığı belirlenmiştir. MLS yöntemiyle en yüksek Nusselt sayısı Re=300'de dar kanalda 8,628, geniş kanalda 8,922 değeri ile F=200 u_A^*=0,5 akışıyla elde edilmiştir.

Abstract:
The aim of this thesis is to examine heat transfer and pressure drop in different wavy channel geometries of pulsatile flow with Lattice Boltzmann Method (LBM). In this context, a numerical analysis of steady state and unsteady incompressible flow and heat transfer was performed in a two-dimensional channel.  Momentum and energy calculations are modelled with LBM. In this study, the square mesh structure was used with the single relaxation time.  In this thesis, solutions were made in Re=50,100,200,300, Pr=0.7, upper and lower wall constant temperature in a channel with two different sharp-edged wavy wall structures using two-dimensional Lattice Boltzmann Method (LBM) and commercial CFD Program Fluent with different frequency and amplitude pulsatile flow. In each LBM and Fluent solution, geometries (half of the maximum channel width) b=7.5 (narrow) and b=10 (wide) were made in each LBM and Fluent solution as nondimensional frequencies F=400 and F=200 and nondimensional amplitudes u_A^*=0.5, u_A^*=0.25. Steady state, and different frequencies and amplitudes flows solutions were made in two-dimensional two different wavy channels. These solutions were made using different methods of lattice Boltzmann method. These methods have been staircase, extrapolation, MLS and FH. The results obtained by these methods were compared both with each other and with Fluent. In this context, the friction factor of the flows and Nusselt numbers were examined and the values were found to be very close to each other in the solutions. Most of the highest values are obtained by extrapolation and staircase solutions and the lowest values are derived from solutions made with Fluent. FH and MLS methods have been shown to be the closest values to Fluent. It was observed that the Nusselt number and friction factor of the b=7.5 wavy channel was higher than the b=10 wavy channel. During these solutions, it was accepted that the flow was incompressible and that the material properties were the same. It was determined that the amount of heat transfer in the narrow channel was higher. In any case, when the Reynolds number increased, the Nusselt number increased, and the friction factor decreased. The highest Nusselt number was obtained by MLS in Re=300 with 8.628 in narrow channel, 8.922 in the wide channel in the flow of F=200 u_A^*=0.5.