Çıkıntılı ısı kaynakları bulunan bir kanalda karışık konveksiyon ile ısı transferinin laminar ve türbülanslı akış şartlarında deneysel ve sayısal analizi
Experimental and numerical investigation of laminar and turbulent mixed convection heat transfer in a channel with discrete protruded heat sources
Yazar: TOLGA PIRASACI
Danışman: PROF. DR. MECİT SİVRİOĞLU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Laminer akış = Laminar flow ; Türbülanslı akış = Turbulent flow

Özet:
Bu çalışmada alt ve üst yüzeylerinde çıkıntılı ısı kaynakları bulunan dikdörtgen kesitli bir kanalda laminar ve türbülanslı akış şartlarında karışık konveksiyon ile ısı transferi deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Çalışmada akışkan olarak hava kullanılmış ve bütün yüzeyleri yalıtılan kanal içerisine 4 × 8 'lik diziler halinde yerleştirilen ısıtıcı bloklara uniform ısı akısı uygulanmıştır. Çalışmada değişik Reynolds (ReDh) ve düzeltilmiş Grashof (Gr*Dh) sayıları ile Yükseklik/Genişlik (Y/G) oranının 1/2, 1/4, 3/20 olduğu durumlar için deneysel ve sayısal incelemeler yapılmıştır. Deneysel çalışmalar sonucunda problemin fiziğine etkineyen boyutsuz büyüklüklerin hesaplanabilmesi için gerekli olan fiziksel büyüklüklerin (sıcaklık, hız ve gerilim düşüşü) değerleri veri toplama sistemleri yardımıyla elde edilmiştir. Sayısal çalışmalarda ise FLUENT paket programı kullanılarak bu fiziksel büyüklükler belirlenmiştir. Her iki yöntemle yapılan çalışmada sıra ortalama Nusselt (NuDh) sayısı dağılımlarıyla, düzeltilmiş Grashof (Gr*Dh) ve Reynolds (ReDh) sayılarının kaldırma kuvveti etkili ikincil akışa etkileri incelenmiştir. Sayısal yöntem ile bulunan, vektörel hız dağılımları, akım çizgileri ve kontur grafikleri şeklindeki sıcaklık dağılımları, ayrıntılı olarak sunulmuştur. Sayısal ve deneysel bulgular sıcaklıkların, (Gr*Dh) sayısının yükselmesi ile yükseldiğini ve (Gr*Dh) sayısının çok yüksek olduğu doğal konveksiyon ağırlıklı bölgede çok yüksek değerlere ulaştığını göstermiştir. Bu bölgede (NuDh) sayıları üst ısıtıcı sıralarında 1. ısıtıcı sırasından 8. ısıtıcı sırasına doğru azalmış alt ısıtıcılarda ise belirli bir ısıtıcı sırasına kadar azalıp daha sonraki ısıtıcı sıralarında artmıştır. Bunun sonucunda üst bloklarda sıcaklıklar sıra numarası ile artarken alt bloklarda belirli bir sıraya kadar artmış, daha sonraki sıralarda ise azalmıştır. Isıtıcı sıcaklıklarının elektronik elemanlar açısından tehlikeli olabilecek sınıra yakın olduğu (yeterli soğutma şartlarının sağlanabildiği asgari) durumlarda Y/G 'nin büyük değerlerinde küçük değerlerine göre daha yüksek ısı transferi ve soğutma etkinliği değerleri elde edilmiştir.

Abstract:
Laminar and turbulent mixed convection heat transfer in a top and bottom heated rectangular channel with protruded discrete heat sources has been investigated experimentally and numerically for air. The lower and upper surfaces of the channel were equipped with 4 × 8 protruded heat sources subjected to uniform heat flux. Side walls, the lower and upper walls were insulated and adiabatic. The study was made for Height/Width (Y/G) ratios of 1/2, 1/4, 3/20 at various Reynolds (ReDh) and modified Grashof (Gr*Dh) numbers. In the experimental studies temperature, velocity and voltage drop values have been obtained by using data logger systems. In the numerical studies however FLUENT package program has been used for obtaining these values. In both experimental and numerical studies, row-averaged Nusselt number (NuDh) distributions and the effect of Grashof (Gr*Dh) and Reynolds (ReDh) number on the buoyancy-driven secondary flow have been investigated. Distributions of velocity vectors, pathlines and temperature contours have been determined by the numerical method and the results have been presented in detail. Results show that surface temperatures increases with increasing (Gr*Dh) numbers. For high values of (Gr*Dh) numbers where natural convection is the dominant heat transfer regime (Gr/Re2 > 1), temperatures of heaters can have much higher values. In this region while the row -averaged (NuDh) numbers of top heaters decreases with the row number, the row -averaged Nu numbers of bottom heaters decreases until the certain row. After this row however, there is an increase in the row -averaged (NuDh) number due to the effects of natural convection. As a result of this while the temperatures of top heaters increases with the row number, the temperatures of bottom heaters decreases after the certain row. Furthermore the results shows that the buoyancy affected secondary flow is more effective at the greater values of Y/G ratios. In addition to this the (NuDh) increases with the increase of H/W ratios.