Hücresel metalik yapılarda akış ve ısı transfer karakteristikleri
Flow and heat transfer characteristics of cellular metals
Yazar: UBADE KEMERLİ
Danışman: PROF. DR. KAMİL KAHVECİ
Trakya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Isı değiştiriciler = Heat exchangers ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic ; Zorlanmış taşınım = Forced convection

Özet:
Bu çalışmada, düzenli hücresel metal Kagome kiriş yapı ve yüksek gözenekliliğe sahip stokastik metal köpük yapı içeren kanallarda akış ve ısı transfer karakteristikleri farklı geometrik ve transport parametre değerleri için sayısal olarak incelenmiştir.
 Kagome kiriş yapı ile ilgili çalışmada kanalın sabit ısı akısı ve sabit sıcaklık sınır şartı ile ısıtıldığı varsayılmıştır. Kanalda türbülanslı akış ve ısı transferi RNG k-epsilon modeli iyileştirilmiş yakın duvar yaklaşımı ile simüle edilmiştir. Sonuçlar, Kagome yapı içeren kanalda kompleks bir akışın ve farklı vorteks yapılarının söz konusu olduğunu göstermektedir. Sonuçlar ayrıca, kiriş uzunluğunun azalmasıyla ısı transferinin ve sabit pompalama gücü başına ısı transfer performansının önemli mertebelerde arttığını, kiriş çapının ısı transferi üzerinde etkisinin ise nispeten küçük olduğunu göstermiştir.
 Metal köpük ile ilgili çalışmada ise, kanal içerisindeki laminer akış ve ısı transferi gözenekli yapılar için genellikle kullanılan LTNE modeli aracılığı ile sabit ısı akısı şartı için simüle edilmiştir. Ayrıca, metal köpüklere farklı sayıda kanatçık ilave edilmesinin akış ve ısı transferine etkileri de incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar, metal köpüklere kanatçık ilave edilmesinin ısı transferinde önemli artışlara neden olduğunu ve ısı transferindeki artışın gözeneklilik arttıkça daha da önemli hale geldiğini göstermektedir. Sonuçlardan ayrıca, belirli bir kanatçık sayısından sonra ısı transferindeki artışın giderek daha önemsiz hale geldiği gözlemlenmiştir. Sonuçlar son olarak, kanatçık kullanımının basınç düşüşünde önemli mertebelerde bir artışa neden olmadığını göstermektedir.

Abstract:
In this study, flow and heat transfer characteristics in channels with a metallic Kagome truss core (a periodic cellular structure) and with a high porosity metal foam (a stochastic structure) were investigated numerically for various values of geometric and transport parameters.
 In the study on the Kagome truss structure, it was assumed that the channel is heated with a constant heat flux or a constant temperature boundary condition. The turbulent flow in the channel was simulated by using the RNG k-epsilon model with the enhanced wall treatment approach. The results show that complex flow structures and various vortex types are present in the flow field in the channel with the Kagome core. The results also show that the average heat transfer rate and heat transfer performance for a fixed pumping power increase significantly with the decrease of the strut length, while the strut diameter has a relatively small effect on heat transfer.
 In the study on the metal foams, the laminar flow and heat transfer in the channel heated with a constant heat flux was simulated by a LTNE model, which is usually used for porous media. Furthermore, the effects of the addition of different number of fins to the metal foam on flow and heat transfer were also examined. The results show that the heat transfer rate increases significantly by the addition of fins and the increase in the heat transfer rate gradually becomes more important with an increase in the porosity. The results also show that the increase in the heat transfer rate gradually becomes marginal after a certain number of fins. Finally, the results show that the addition of fins does not cause a significant increase in the pressure drop.