Art arda dizili sonlu dairesel silindirlerin akışkan akışı ve ısı transferi incelemesi
Fluid flow and heat transfer investigation of finite circular cylinders in tandem arrangement
Yazar: TEVFİK BERKER KOÇAK
Danışman: PROF. ZEKERİYA ALTAÇ ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ZERRİN SERT
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, eşit uzunluktaki sonlu dairesel silindirlerden üç boyutlu akış ve ısı transferi karakteristikleri sayısal olarak incelenmiştir. Dikdörtgen prizma şeklindeki hesaplama alanının alt duvarına (zemin düzlemi) dikey olarak art arda yerleştirilen D çapında 3D yüksekliğindeki (AR=3) sonlu silindirler hızı U∞ ve sıcaklığı T∞ olan serbest bir akışa maruz kalmaktadır. Silindirler arasındaki mesafe S=D, 2D, 4D olarak değiştirilmiştir. Sonlu silindirlerin yerleştirildiği hesaplama modelinin boyutları literatür araştırması ve yapılan doğrulama çalışması sonucunda 10D × (35+S)D × 6,5D olarak belirlenmiştir. Akış yönüne göre öndeki ve arkadaki silindir için her silindir yerleşim düzeninde dört farklı ısıl durum dikkate alınmıştır. Her iki silindirin de yalıtımlı olduğu Durum 1, öndeki silindir yalıtımlı iken, arkadaki silindir izotermal olduğu Durum 2, öndeki silindir izotermalken, arkadaki silindirin yalıtımlı olduğu Durum 3 ve her iki silindirin de izotermal olduğu Durum 4 incelenmiştir. Çalışma kapsamında yapılan hesaplamalı akışkanlar çözümlerinde akışkan hava (Pr=0,7) ve Re=20000'de olarak ele alınmıştır. Akıştaki türbülansı modellemek için SST k- türbülans modeli benimsenmiştir. İlk olarak, literatürde verileri mevcut olan 3B bir silindir ele alınarak doğrulama çalışması yapılmıştır. Doğrulama çalışmaları sonucunda %2 seviyesinde bir fark ile literatür CD değerlerine yakınsanmıştır. Akabinde art arda dizili üç-boyutlu (3B) iki silindir için akış çözümleri yapılarak türbülans alanları elde edilmiştir. Akış alanı boyunca ve her bir silindir yüzeyinde görülen ana türbülans ve akış karakteristikleri belirlenmiş ve tablo halinde şematize edilerek sunulmuştur. Bu görselleştirme silindirler üzerindeki akış yapısının nasıl gerçekleştiğini özet ve sade şekilde açıklamakla birlikte daha önce 3B sonlu art arda silindirler için ilk olması yönüyle literatüre önemli bir katkı sunmaktadır. İzotermal silindirler üzerindeki akışın ısı transferi etkileri, ortalama ve yerel Nusselt dağılımları kullanılarak değerlendirilmiş tablolaştırılmıştır. Akış alanı üzerinde düzensiz girdap kopmaları dolayısıyla S/D=1 durumunda Kármán caddesi oluşmazken, S/D=4 durumunda stabil bir Kármán caddesi oluştuğu tespit edilmiştir. Tüm durumlar için öndeki silindirde S/D=1 ve arkadaki silindirde ise S/D=4 durumunda en yüksek ısı transfer performansı oluştuğu tespit edilmiştir.

Abstract:
In this study, three-dimensional flow and heat transfer characteristics from finite circular cylinders of equal length are numerically investigated. Finite cylinders of diameter D and height 3D (AR=3) placed vertically on the bottom wall (ground plane) of the rectangular prism-shaped computational domain are subjected to a free flow with uniform velocity U∞ and temperature T∞. The dimensions of the calculation model in which the finite cylinders are placed were determined as 10D × (35+S)D × 6,5D as a result of the literature research and verification study. Four different thermal conditions were considered for each cylinder layout for the front and rear cylinders according to the flow direction. Case 1, where both cylinders are insulated; Case 2, where the front cylinder is insulated and the rear cylinder is isothermal; Case 3, where the front cylinder is isothermal and the rear cylinder is insulated; and Case 4, where both cylinders are isothermal, were examined. In the computational fluid solutions, the fluid was considered as air (Pr=0.7) and Re=20000. The turbulence model SST k- was used to solve the governing flow and turbulence equations. Initially, a numerical verification study was carried out to determine the most suitable turbulence model and grid configuration using a single three-dimensional (3D) cylinder for which data were available in the literature. As a result of verification studies, the literature CD values were approximated with a difference of 2%. Subsequently, flow solutions were made for two 3D cylinders arranged in tandem and turbulence fields were obtained. The main turbulence and flow characteristics appearing along the flow domain and on each cylinder surface were identified and presented in tabular form. This visualization provides a brief and simple explanation of how the flow structure on cylinders, and it makes an important contribution to the literature as it is the first time for 3D finite tandem cylinders. The heat transfer effects of the flow over isothermal cylinders were evaluated using the mean and local Nusselt distributions, leading to recommendations for design improvements. While Kármán Street does not develop in the case of S/D=1 due to the observed irregular vortex separations, a stable Kármán Street is obtained for S/D=4. In terms of heat transfer, the highest heat transfer performance was observed in the case of S/D=1 for the upstream cylinder and S/D=4 for the downstream cylinder.