Airfoil tip kanatlı çapraz akışlı ısı değiştiricisinde akış ve ısı transferinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of flow and heat transfer in airfoil type finned cross flow heat exchanger
Yazar: OKAN KAAN AKSUOĞLU
Danışman: PROF. DR. İSAK KOTCİOĞLU
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Amaç: Bu tez çalışmasında, dikdörtgen kesitli bir kanal içerisine yerleştirilmiş, silindirik borulu lancet (neşter) tip geometriye sahip kanatçıklardan oluşan çapraz akışlı bir ısı değiştiricisi tasarlanmıştır. Düzgün sıralı ve kaydırılmış geometrik dizilimlerde tasarlanmış ısı değiştiricisinde akış ve ısı transferinin incelenmesi ve literatüre göre daha iyi bir termal performans elde edilmesi amaçlanmıştır.  
Yöntem: Lancet tip kanatlar (ısı alıcılar) düzgün sıralı ve kaydırılmış levha düzeninde test bölgesi içerisine farklı hücum (50o ve 75o) açılarında akış yönündeki hava akışına dik olacak şekilde yerleştirilmiş ve deneyler yapılmıştır. Taguchi optimizasyon metoduna göre deney sistemindeki tasarım parametrelerinin optimum değerlerini belirlemek için [L25(53)] ortagonal deneysel plan baz alınmıştır. Isı değiştiricisi akış alanı üzerindeki hız ve sıcaklık alanıyla ilgili türbülans dalgalanmalarını modellemek ve simule etmek için standart (k-ε) türbülans modeli kullanılmıştır. Her bir kanat geometrik düzen için CFD kodları kullanılarak hız, basınç ve sıcaklık profillerini elde etmek için çözümler gerçekleştirilmiştir. Nümerik çalışma için enerji ve Navier-Stokes denklemlerinin çözümünde ANSYS-FLUENT version 16.0 paket programı kullanılmıştır. 
Bulgular: Hidrodinamik ve termal açıdan deneysel çalışma ve nümerik analizler sonucunda aynı yönlü 50o hücum açılı kaydırılmış levha düzene sahip modelin en uygun ısı değiştirici olduğu belirlenmiştir. Numerik ve deneysel sonuçların birbiriyle ve literatürle uyumlu olduğu görülmüştür.
Sonuç: Kaydırılmış dizilimlerdeki kanatçıkların türbulator görevi üstlendiği, sınır tabaka yenilenmesi, akışkan karışımı ve akışkan hızını arttırdığı belirlenmiştir. 50o hücum açısının 75o hücum açısına göre akışkanın akışına pozitif yönde etki ettiği ve bu parametrelerin ısı transferine olumlu etkileri olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Purpose: In this thesis, a cross-flow heat exchanger consisting of fins with cylindrical tube lancet type geometry placed in a rectangular cross-sectional channel is designed. It is aimed to examine the flow and heat transfer in the heat exchanger designed in-line and staggered geometric arrays and to obtain a better thermal performance compared to the literature.
Method: Lancet type fins (heat sinks) were placed in the test area in a in-line and staggered arrangement at different angles of attack (50o and 75o) perpendicular to the air flow in the flow direction and the experiments were carried out. [L25(53)] orthogonal experimental plan was used to determine the optimum values of the design parameters in the experimental system according to the Taguchi optimization method. The standard (k-ε) turbulence model was used to model and simulate turbulence fluctuations related to velocity and temperature field over the heat exchanger flow field. For each blade geometric arrangement, solutions are realized to obtain velocity, pressure and temperature profiles using CFD codes. For numerical work, the ANSYS-FLUENT version 16.0 package program was used to solve the energy and Navier-Stokes equations.
Findings: As a result of experimental studies and numerical analyzes in terms of hydrodynamics and thermals, it has been determined that the model with the same directional 50o attack angle shifted plate layout is the most suitable heat exchanger. Numerical and experimental results were found to be compatible with each other and with the literatüre.
Results: It has been determined that the fins in the shifted arrays act as turbulators, increasing the boundary layer regeneration, fluid mixing and fluid velocity. It was concluded that 50o attack angle has a positive effect on the flow of fluid compared to 75o attack angle and these parameters have positive effects on heat transfer.