Kısmi eğik yan duvarlara sahip kapalı ortamlarda doğal taşınımla ısı transferinin sayısal analizi
Numerical analysis of natural convection heat transfer in enclosures having partially inclined side walls
Yazar: BİROL ŞAHİN
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET EMİN ARICI
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Bölümü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Kapalı ortamlarda doğal taşınımla ısı transferi problemi ile ilgili çalışmalar yaklaşık kırk yıl kadar önce başlamıştır. Bu çalışmalar halen artan nicelik ve gelişen nitelikte devam etmektedir. Bunların çoğu dikdörtgen (veya kare) kapalı ortamlarla, daha azı ise üçgen kapalı ortamlarla ilgilidir. Bu tez çalışmasında, kare, üçgen ve kısmi eğik yan duvarlara sahip kapalı ortamlardaki zaman bağımlı doğal taşınımla ısı transferi farklı sınır koşulları altında incelenmiştir. Kısmi eğik yan duvarlara sahip kapalı ortam, bir karenin üzerine bir dik üçgenin yerleştirilmesi ve iki kapalı ortamın birleştiği yatay duvarın kaldırılarak oluşması şeklinde tasarlanmıştır. Ayrıca bu ortamlar içerisine yerleştirilen engellerin doğal taşınıma etkisi de incelenmiştir. Kapalı ortamın duvarlarına uygulanan sınır koşullarından biri, yeni bir sınır koşulu olarak, gün boyu sıcaklık değişimi sınır koşulu olarak adlandırılmıştır ve yirmi dört saatlik sıcaklık değişimini vermektedir. Zamana bağlı sıcaklık değişimi, bir günlük periyot içerisindeki gece ve gündüz zamanlarında minimum ve maksimum sıcaklıkları verecek şekilde tanımlanmıştır. Ortamın tabanı yaz sınır koşulu uygulaması olarak gece yarısı sıcaklığına, kış sınır koşulu uygulaması olarak ise öğlen sıcaklığında tutulmuştur.İki boyutlu kapalı ortamdaki doğal taşınım problemini temsil eden denklemler sonlu kontrol hacmi yöntemi ile ayrıklaştırılmıştır. Ayrıklaştırılmış olan denklemler SIMPLE algoritması kullanılarak geliştirilen FORTRAN tabanlı bir programla çözülmüştür. Geliştirilen program literatürde mevcut benzer problemlerle karşılaştırılarak test edilmiştir. Sayısal analiz Rayleigh sayısının 103-107 aralığı için gerçekleştirilmiştir.Belirlenen durumlar için elde edilen sonuçlar akım çizgileri, eş sıcaklık eğrileri ve ortalama Nusselt sayıları cinsinden verilmiştir. Gün boyu sıcaklık değişiminin etkisi ile ortam içerisindeki maksimum sıcaklığın konumu zamana göre değişmektedir ve bu değişim de çalışmada sunulmuştur. Yaz sınır koşulları uygulaması için gün boyu değişen sıcaklık sınır koşulunda ısı kaybının az olduğu sonucuna varılmıştır. Kış sınır koşulları uygulaması için gün boyu değişen sıcaklık sınır koşulunun uygulandığı duvara yakın yerlerde güçlü akımlar ve bunun sonucunda da yüksek sıcaklık gradyanları oluşmaktadır. Bu durum söz konusu sınırlardan önemli bir miktarda ısının kaybına sebep olmaktadır.

Abstract:
The studies concerning about the natural convection heat transfer in enclosures have begun about forty years ago. These studies are still in progress both in increasing quantity and in developing quality. Most of them are related with rectangular (or square) enclosures, and the lesser are related with triangular enclosures. In the present study, unsteady natural convection heat transfer problem under several boundary conditions for square, triangular and partially inclined side wall included enclosures is considered for the analysis. The construction of the enclosure is imagined to obtain by superimposing a right triangular enclosure on a square enclosure, and then removing the common horizontal wall of the enclosures. Effect of obstacle positioned in the enclosures is also analyzed. A boundary condition applied to wall of the enclosures, as a newly introduced boundary condition, is defined as a time dependent temperature variation for a twenty four hour period such that the maximum and the minimum of the period correspond to the noon and the midnight of a day. The bottom side of the enclosure is kept at midnight temperature value for the summertime boundary condition and at noon temperature value for the wintertime boundary condition.The set of equations that govern the natural convection heat transfer problem for a two-dimensional confined space are discretized by the finite control volume method. A FORTRAN based program in conjunction with the SIMPLE algorithm is developed to solve the discretized equations. The program is compared and tested with the results of existing literature for the similar problems. Analysis for the current problem is performed for 103 to107 range of Rayleigh number.Results of the prescribed cases are presented in terms of stream function, isotherms and average Nusselt numbers. Because of the effect of the daytime temperature variation concern, time varying position of the maximum temperature within the enclosure is also presented. It is concluded that, heat loss to the daytime temperature boundary is low for summertime application. For the wintertime application, strong recirculation and resulting high temperature gradient occurs near the daytime temperature boundary. This occurrence leads a remarkable amount of heat loss to that boundary.