Su dolu kapalı bir ortamda ısı aktarımının titreşimli akış ile kontrolü
Control of heat transfer by oscillatory flow in a water filled enclosure
Yazar: CİHAT DURU
Danışman: DOÇ. DR. MURAT KADRİ AKTAŞ
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada sıvı su dolu basık kapalı bir ortam göz önüne alınmıştır. Titreşimli akış kapalı ortamın sol duvarının harmonik titreşimiyle oluşturulmuştur. Sağ ve sol duvarın sıcaklık farkından kaynaklanan ısı aktarımının sayısal simülasyonu yapılmıştır. Literatürde, sıvı su titreşimli akış üzerine yapılan çalışmalar nadir bulunmaktadır. Bilgimiz dahilinde, mevcut çalışma suyun titreşim hareketiyle ısı aktarımının etkileşimi üzerine ilk çalışmadır. Burada önemli olan çalışmanın, sıfırdan farklı ortalama hızda titreşimli akış üzerine yoğunlaşmasıdır. Kapalı ortam içerisinde taşınım olgusunun doğru bir şekilde çözümlenebilmesi için su sıkıştırılabilir bir akışkan olarak modellenmiştir. Isı aktarımının sayısal simülasyonu için Navier-Stokes denklemlerinin iki boyutlu tam sıkıştırılabilir hali ve su için uygun bir hal denklemi kullanılmıştır. Temel denklemler kontrol hacim tabanlı açık bir sonlu farklar metodu olan FCT algoritması ile çözümlenmiştir. Akış anlık hız değerleri akustik bağıntılar ile doğrulanmıştır. Elde edilen sonuçlar teori ile uyum içerisindedir. Elde edilen verilen ışığında, kapalı ortamda ısı aktarımının titreşimli akış ile önemli ölçüde değişebildiği tespit edilmiştir. Isı aktarımı sol duvar en yüksek yer değiştirmesiyle birlikte artış göstermiştir. Kapalı ortam için optimum bir yükseklik değeri bulunmuştur. Sonuçlar titreşim kontrollü ısı aktarım tüplerinin tasarımında yol gösterebilir.

Anahtar Kelimeler: Titreşimli akış, zorlanmış taşınımlı ısı aktarımı, sıkıştırılabilir akış, FCT.

Abstract:
In this study, a shallow enclosure filled with water is considered. An oscillatory flow field is created by the harmonic vibration of an enclosure side wall. The heat transfer due to the temperature gradient between the left and the right walls of the enclosure is numerically simulated. In literature, oscillatory driven flow of liquid water is rarely studied. To our best knowledge the present work is the first study which directly simulates the acoustically driven motion of water and associated thermal transport. Here it is important to note that the present investigation focuses on non-zero mean oscillatory flows in liquid water. The fully compressible form of two dimensional Navier-Stokes equations and an equation of state for liquid water are employed in order to evaluate the flow and thermal fields in the enclosure. In order to compute the transport phenomenon in the enclosure accurately, liquid water is modeled as a compressible fluid with a suitable equation of state. The governing equations are discritized by using a control volume based, explicit time marching, flux corrected transport algorithm (FCT). The code validation is performed by comparing particle (flow) velocities with theoretically estimated (based on acoustic relations) values. Both 'oscillatory' and pseudo-steady 'cycle averaged' velocity values are computed. According to the results of this study, it can be concluded that the heat transfer in the enclosure is considerably enhanced by oscillatory flow. Heat transfer is augmented with increasing maximum displacement of the left wall. Besides an optimum enclosure height is found to achieve higher heat transfer rate. The results of this study can be a guide for the design of oscillation controlled heat transport tubes.

Keywords: Oscillatory flow, forced convection, compressible flow, FCT.