Yeni tip vorteks üretici ile ısı transferinin arttırılmasının sayısal ve deneysel araştırılması
Numerical and experimental investigation on heat transfer enhancement by novel type vortex generator
Yazar: HÜSEYİN ZAHİT DEMİRAĞ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET DOĞAN ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ATİLA ABİR İĞCİ
Yozgat Bozok Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Isı geçişi = Heat transfer ; Kanal akım modeli = Channel flow model ; Vorteks = Vortex

Özet:
Bu çalışmada; yeni tip konik yüzeyli vorteks üreticinin, KYVÜ, dikdörtgen kesitli kanalda ısıl performansının ve yerleşim düzenin ısı transferine etkileri deneysel ve sayısal olarak araştırılmıştır. Vorteks üreticilerin ısıl performansları akış alanı içerisindeki pozisyonlarına oldukça bağlıdır. Bu nedenle KYVÜ ısıl performansı, farklı hücum açıları (α), kanat açıları (β) ve ölçeklendirme oranları (S) açısından geniş bir Reynolds sayısı aralığında araştırılmıştır. Ayrıca KYVÜ'ler, tüm test bölgesi boyunca düz sıralı ve şaşırtmalı yerleşim düzeninde yerleştirilmiş ve deneyler yapılmıştır. Oluşan uzunlamasına vorteks akış yapısı, akışkan hız dağılımları ve sıcaklık dağılımları yapılan sayısal çalışma ile görselleştirilmiştir. Sayısal çalışmalar ANSYS Fluent 2020 R2 paket programı kullanılarak yürütülmüştür. Sayısal çalışmalar deneysel sınır şartları altında gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada KYVÜ ısıl performansının belirlenmesi için deneyler yapılmıştır. Yapılan deneyler sonucunda en yüksek ısıl iyileşme faktörünün, TEF, ulaşıldığı optimum hücum açısı, kanat açısı ve ölçeklendirme oranı sırası ile α=37.5°, β=30° ve S=1:1 olarak belirlenmiştir. Bu deneysel aşamada,  en yüksek TEF değeri ise Re=5000'de TEF=1.316 olarak elde edilmiştir. Bir sonraki deneysel aşamada KYVÜ'ler, sabit optimum geometrik parametreleri altında test bölgesi boyunca iki vorteks üretici sırası arasındaki mesafenin kanal yüksekliğine oranı olan uzunlamasına periyod oranlarında, PR =1,5, 2, 3 ve 5 ve düz sıralı yerleşim düzeninde, DSYD, konumlandırılarak vorteks üretici, dizilim deneyleri gerçekleştirilmiştir. En yüksek TEF değerinin elde edildiği uzunlamasına periyod oranı, PR=2 olarak belirlenmiş ve Re=5000'de en yüksek TEF=1.43 olarak elde edilmiştir. Son aşamada, KYVÜ'ler optimum geometrik parametre seviyeleri ve PR=2'lik periyod oranı sabit tutularak şaşırtmalı yerleşim düzeninde, ŞYD konumlandırılmıştır. Re=5000-25000 aralığında DSYD'nin ŞYD'ye göre ısıl performans açısından daha etkili olduğu, buna karşın ŞYD'nin DSYD'ye göre daha yüksek Darcy sürtünme faktörü, f, değerlerine ulaşılmıştır. Yapılan deneyler sonucunda DSYD ve ŞYD altındaki KYVÜ'ler için Re=5000'de en yüksek TEF değerleri sırası ile TEF=1.43 ve TEF=1.38 seviyelerinde elde edilmiştir.

Abstract:
In this study; thermal performance of a novel type conic vortex generator, NTCVG, in rectangular duct and the effects of configuration layout on heat transfer was studied experimentally and numerically as well. The thermal performance of vortex generators are highly dependent on their positions in the flow field. Therefore, the thermal performance of the NTCVG was investigated in terms of different attack angles (α), blade angles (β) and scale ratios (S) over a wide range of Reynolds numbers. Besides that, NTCVGs were positioned in a manner of in-line and staggered arrangement throughout the entire test region and experiments were carried out. The resulting longitudinal vortex flow structure, fluid velocity distributions as well as temperature distributions were visualized by numerical study. Numerical studies were carried out by using the software Fluent, ANSYS 2020 R2. Numerical studies were performed by taking experimental boundary conditions into account. In the first step, experiments were conducted to determine the thermal performance of NTCVG. As a result of the experiments, the optimum attack angle, blade angle and scale ratio, where the highest thermal enhancement factor, TEF, was reached, were detected to be as α=37.5°, β=30° and S=1:1, respectively. In this experimental stage, the highest TEF value of 1.316 was obtained at Re=5000. In the next phase of the experiment, experimental configuration layout studies were conducted in which NTCVGs, having in-line arrangement, were positioned in test region under longitudinal pitch ratios, the ratios of the longitudinal distances between two rows of NTCVGs to the channel height, PR=1.5, 2, 3 and 5 by keeping the optimum geometric parameters constant. TEF value was obtained to be reached a peak at PR=2 and the highest TEF value of 1.43 was attained at Re=5000. In the last step, NTCVGs were arranged in a staggered manner by keeping the optimum geometric parameter levels and the longitudinal pitch ratio of PR=2 constant. In the range of Re=5000-25000, in-line NTCVGs were detected to be more effective than staggered NTCVGs in terms of thermal performance, on the other hand, higher Darcy friction factor, f, values were obtained with staggered NTCVGs. As a result of the experiments, peak values of TEF=1.43 and 1.38 were achieved at Re=5000 for in-line and staggered arrays of NTCVGs, respectively.