Düzgün dizilimli boru demeti girişine yerleştirilen üçgen tip girdap üreticilerinin ısıl ve akış etkinliğinin incelenmesi
Investigation of thermal and flow efficiency of triangle type vortex generators placed at the inlet of an in line-arranged tube bundle
Yazar: METE ÖZŞEN
Danışman: PROF. DR. SEBİHA YILDIZ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Düzgün dizilimli boru demeti üzerinden çapraz hava akışında boru demeti girişine yerleştirilen üçgen tip girdap üreticinin Nusselt sayısı ve basınç düşümüne etkisi sayısal ve deneysel olarak incelenmiştir. Girdap üretici ile boru demeti sonuçları girdap üretici olmadan boru demeti sonuçları ile sayısal ve deneysel olarak karşılaştırılmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında literatürden deneysel bir çalışma referans model olarak alınmıştır. Bu deneysel çalışmada kullanılan girdap üretici parametreleri ile Re=3000-12000 aralığında parametrik sayısal bir çalışma yapılmıştır. Referans deneysel çalışmada kullanılan girdap üretici ile boru demeti arasındaki mesafe (Lp =23,1, 31,1 ve 39,1 mm), kanatçıklar arası mesafe (P = 20,5, 26,4 ve 37 mm) ve hücum açısı (α = 20˚, 30˚ ve 40˚) parametreleri sayısal analizde de incelenmiştir. Sayısal analiz sonucunda diğer tasarımlara göre Lp=31,1 mm, P=26,4 mm ve α = 40˚ değerlerine sahip girdap üretici tasarımı Nusselt sayısında %16,6 ile en yüksek iyileşme gösteririken, basınç kaybında %42 kötüleşme göstermiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında bu tasarım Isıl-hidrolik Performansı diğerlerine göre daha yüksek olduğu için deneysel çalışmalarda kullanılmak üzere üretilmiştir. Deneysel çalışma Re=4100-12200 arasında yapılmış olup,  girdap üretici ile Nu sayısında maksimum %6,5 artış ve basınç kaybında maksimum 3,4 Pa kötüleşme görülmüştür. Deneysel çalışmada kullanılan girdap üretici tasarımı ile sayısal analizler yapılmıştır. Sayısal analiz sonucuna göre, girdap üretici ile Nusselt sayısında ve basınç kaybında maksimum artışlar sırasıyla %4 ve 13,76 Pa olarak görülmüştür. Literatürde araştırılan parametrelere ek olarak girdap üreticinin boru merkezine düşey mesafesi sayısal olarak incelenmiştir. Belirli bir Lp mesafesinde, girdap üreticinin boru merkezi hizasında ve boru merkezinin altında olması durumunda sırasıyla Nusselt sayısında maksimum iyileşme %4 ve %5,6 olmuştur. Sayısal olarak elde edilen Nusselt sayısında %6,4 olan maksimum iyileşme, girdap üreticinin boru merkezine hizalı durumunda boru demetine yatayda en yakın mesafede (Lp =23,1mm) elde edilmiştir.

Abstract:
The effect of a triangular vortex generator placed at the inlet of the tube bundle on the Nusselt number and pressure drop in cross air flow through an in-line tube bundle is investigated numerically and experimentally. Tube bundle results with vortex generator are compared numerically and experimentally with tube bundle results without vortex generator. In the first stage, an experimental study from the literature was used as a reference model. A parametric numerical study was carried out at Re=3000-12000 with the vortex generator parameters used in this experimental study. The parameters of the distance between the vortex generator and the tube bundle (Lp = 23.1-39.1 mm), the distance between the winglets (P = 20.5-37 mm) and the angle of attack (α = 20˚-40˚) were also investigated numerically. The vortex generator design with values of Lp = 31.1 mm, P = 26.4 mm and α = 40˚ shows the highest improvement in Nusselt number with 16.6% and the highest deterioration in pressure drop 42%  compared to other designs. In the second stage, this design was produced for use in experimental studies. A maximum increase in Nu number of 6.5% and pressure drop of 3.4 Pa was observed using the vortex generator in experimental studies. The maximum increases in numerical Nusselt number and pressure drop with the vortex generator are 4% and 13.76 Pa respectively. The vertical distance of the vortex generator from the centre of the tube was studied numerically. The maximum improvement in the Nusselt number was 5,6% and 4% when the vortex generator was located at the centre of the tube and below the centre of the tube respectively. The maximum numerical improvement of 6.4% in the Nusselt number is obtained at Lp = 23.1 mm when the vortex generator is aligned with the centre of the tube.