Çoklu jet vurdurmalı ısı transferi sistemi tasarımı ve nümerik incelenmesi
Multi-jet impingement heat transfer system design and numerical examination
Yazar: AHMET HİKMET UNTUÇ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SALİH ÖZEN ÜNVERDİ
Gebze Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Çarpan hava jetleri = Impinging air jets

Özet:
Düz bir yüzeyin daha iyi soğutulması için yeni bir çok jet vurdurmalı kuşatılmış soğutma sistemi tasarlanmıştır. Altıgen şeklinde düz yüzey üzerine yerleştirilen yedi silindirik ada üzerine çarpan jetlerin yüzeyi soğutma performansı ve akışkan pompalama gücü üç boyutlu hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemiyle incelenmiştir. Her bir silindirik adayı çevreleyen eş eksenli akış yönlendirici kılavuzlar, silindirik adaların üst yüzüne çarpan ve orada yayılarak duvar jetine dönüşen akışı bükerek adaların yan yüzlerine ve daha sonra taban levhaya başarılı bir şekilde aktarmaktadır. Yükseltilmiş silindirik adalar ve onlarlara eş eksenli yönlendirici kılavuz çiftleri soğutulan yüzeyin alanını arttırarak ısı transferine katkı sağlarken çapraz akışın jetlerle etkileşimin olumsuz sonuçlarını minimize etmektedir. Silindirik adaların yüksekliği artarken üzerinde jet orifisleri bulunan kuşatıcı levhaya yaklaştıkları için jet mesafesi kısalmakta ve jetin çapraz akışla etkileşimi azalmaktadır. Silindirik adaları çevreleyen yönlendirici kılavuzların duvar jetini ada üst yüzünden uzaklaştırarak taban levhaya ve oradan tahliye cephesine yönlendirirken jetin çarptığı durgunluk bölgesinin harcanan akıştan uzak tutulmasına katkıda bulunarak durgunluk bölgesindeki ısı transferinin bozulması ve şekil değiştirmesini oldukça azalttığı görülmüştür. 
Silindirik adaların geometrik parametrelerinin ve Reynolds sayısının ısı transferi ve akışkan pompalama gücüne etkisi nümerik olarak araştırılmıştır. Öncelikle ada çapı sabit tutularak yedi farklı ada yüksekliği incelenmiş, daha sonra sabit ada yüksekliğinde beş farklı ada çapı incelenmiştir. Her bir geometrik parametre 5000-20.000 aralığında dört farklı jet Reynolds sayısında değerlendirilmiştir. Benzeşimlerde Gerçekleştirilebilir k-Epsilon türbülans modeli ve Geliştirilmiş Duvar Muamelesi kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar düz yüzeye kıyaslandığında ısı transfer hızında %62,8'e kadar artış kaydedilmiştir. Buna karşılık basınç düşüşünde kayda değer bir artış yaşanmamıştır. İncelenen parametrelerin sistemin ısıl performansına katkısını değerlendirebilmek amacıyla ısı transferindeki oransal artışın pompalama gücündeki oransal artışla beraber etkisini gösteren performans değerlendirme kriteri tanımlanmıştır. Geliştirilmiş yüzeye sahip çok jet vurdurmalı soğutma sisteminin ısıl performansında düz yüzeye göre %52 artış sağlanmıştır.

Abstract:
A new confined multi-jet impingement cooling system is designed for better cooling of a flat surface. The cooling performance and fluid pumping power of jets impinging on seven cylindirical protrutions placed on a hexagonal flat plate are examined by three-dimensional computational fluid dynamics method. Coaxial flow guide vanes surrounding each cylindirical protrusion successfully transfer flow that impinges on the top faces of cylindirical protrusions and spreads there, forming into a wall jet, to the side faces of protrusions and then to the base plate. Coaxial cylindirical protrusion-guide vane pairs increase the area of the cooled surface and contribute to heat transfer, while minimizing negative effects of crossflow-jet interactions. By increasing the height of cylindirical protrusions jet length becomes shorter, as they approach the confinement plate with jet orifices, interaction of crossflow with jets decreases. While directing wall jets away from the top face of protrusions and towards the base plate and from there to the discharge port, guide vanes contribute to keeping the spent flow away from the stagnation zone thus significantly reducing the distortion and deformation of heat transfer in the stagnation zone. 
Effects of geometric parameters of cylindirical protrusion and Reynolds number on heat transfer and fluid pumping power are investigated numerically. First, seven different protrusion heights are studied by keeping protrusion diameter constant, and then five different protrusion diameters are studied at constant protrusion height. Each geometric parameter is evaluated at four different jet Reynolds numbers in the range of 5000-20,000. Realizable k-Epsilon turbulence model and Enhanced Wall Treatment are used in the simulations. Up to 62.8% increase in heat transfer rate is obtained compared to flat plate. On the other hand, no significant increase in pressure drop is observed. In order to evaluate contribution of the studied parameters to thermal performance of the system, a performance evaluation criterion is defined that shows combined effect of proportional increase in heat transfer and fluid pumping power. Thermal performance of the enhanced multi-jet impingement cooling system increased by up to 52% compared to flat surface.