Kalın cidarlı borularda türbülanslı akışta geçici rejim birleşik ısı transferinin sayısal çözümü
Numerical solution of transient conjugated heat transfer in thick walled pipes with turbulent flow
Yazar: EYÜB CANLI
Danışman: DOÇ. DR. ALİ ATEŞ ; PROF. DR. ŞEFİK BİLİR
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Borularda türbülanslı akış eş zamanlı gelişme bölgesi geçici rejim birleşik ısı transferi, iki boyutlu cidar ve eksenel akışkan iletimi dikkate alınarak incelenmiştir. Problem, kalın cidarlı, başlangıçta eşit sıcaklıktaki yarı sonsuz bir boruda, sürekli, hidrodinamik ve ısıl olarak gelişmekte olan akış için, boru dış yüzey sıcaklığındaki ani değişme şartı ile ele alınmıştır. Akış alanı ile ısı transferi sayısal olarak incelenmiştir. Boyutsuz süreklilik, Navier-Stokes ve enerji denklemleri sonlu hacimler yöntemi ile ayrıklaştırılarak çözülmüştür. Akışkan tarafı diferansiyel denklemlerinin ayrıklaştırılması için üssel ayrıklaştırma şeması seçilmiştir. Akış çözümünde kaydırılmış ağ sistemi ve SIMPLE algoritması kullanılmıştır. Problemin sayısal çözümü için yeni bir bilgisayar programı geliştirilmiştir. Problemi tanımlayan boyutsuz parametreler, Reynolds sayısı, Prandtl sayısı, Peclet sayısı, cidar kalınlık oranı, cidar-akışkan ısı iletim katsayısı oranı ve cidar-akışkan ısıl yayılım katsayısı oranı olarak belirlenmiştir. Her bir parametrenin ısı transferi ve akış karakteristikleri üzerindeki etkileri detaylı olarak incelenmiştir. 
Sonuçlar bütün parametrelere bağlı değişmektedir. Akış çözümünde 5×10^3 ile 1×10^5 arasında değiştirilen Reynolds sayısı tek parametredir. Hidrodinamik gelişme mesafesi Reynolds sayısı ile doğru orantılı uzamakta ve boru ekseninde karakteristik bir hız profili elde edilmektedir. Isı transferi çözümünde akış alanı enerji denkleminde parametre olarak çıkan Peclet sayısı geniş bir aralıkta incelenebilmektedir (1×10^2-2.5×10^5). Bu nedenle ısı transferine etki eden en önemli parametre Peclet sayısıdır. Eş zamanlı gelişme bölgesi ısı transferini etkilemektedir. Probleme özgü bilinen bir uygulaması bulunmayan üssel ayrıklaştırma şeması başarılı bir şekilde sonuç vermiştir.

Abstract:
Transient conjugated heat transfer in simultaneously developing turbulent flow is analyzed involving two-dimensional wall and fluid axial conduction. A thick walled semi-infinite circular pipe which is considered initially isothermal and the problem is handled for steady, hydrodynamically and thermally developing flow with a sudden change in the outer wall temperature. The flow field and heat transfer are numerically investigated. Nondimensional continuity, Navier-Stokes and energy equations are solved by discretization using finite volumes method. Exponential discretization scheme is selected for the discretization of fluid side differential equations. Staggered grid system and SIMPLE algorithm are used in the flow solution. New computer software is developed for the numerical solution of the problem. Non-dimensional parameters that define the problem are determined as Reynolds number, Prandtl number, Peclet number, wall to fluid thickness ratio, wall to fluid thermal conductivity ratio, and wall to fluid thermal diffusivity ratio. Effects of each parameter on the heat transfer and flow characteristics are investigated in detail.
Results change depending on all parameters. Reynolds number changing between 5×10^3 and 1×10^5 is the only parameter for flow solution. Hydrodynamic development length gets longer, directly proportional to Reynolds number and a characteristic velocity profile is attained at pipe axis. Peclet number that appears as a parameter in the energy equation for flow field during heat transfer solution can be investigated in a wide interval (1×10^2-2.5×10^5). Therefore, Peclet number is found to be the most important parameter that affects heat transfer. Heat transfer is affected by simultaneously developing flow. Exponential discretization scheme that has no known application in the solution of the problem gives result successfully.