Çarpan hava jeti akışlarında ısı transferinin iyileştirilmesi
Enhancement of heat transfer in impinging air jets
Yazar: HALUK KELEŞ
Danışman: PROF. DR. YÜCEL ÖZMEN
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Dönmeli jetler = Swirl jets ; Isı geçişi = Heat transfer ; Jetler = Jets

Özet:
Bu çalışmada, çarpan slot, dairesel, dönmeli ve dizi jet türbülanslı akış alanlarında çarpma yüzeylerindeki ısı transferi etkileri deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Deneysel çalışmada, termal kamera ile çarpma levhası üzerinde sıcaklık dağılımları elde edilmiştir. Sıcaklık dağılımları, slot jet, dairesel jet ve dizi jet durumlarında çarpma levhası orta ekseni boyunca, dönmeli jet durumunda ise çarpma levhasının tüm yüzeyi üzerindeki sıcaklık ölçümleri ile oluşmuştur. Elde edilen sıcaklık dağılımlarından, Reynolds sayısının, lüle-levha arası/levhalar arası açıklığın, sınırlayıcı levha durumunun, sınırlayıcı levha eğim açısının, dönmeli geometri formunun ve jet eğim açısının çarpma levhası üzerindeki Nusselt dağılımlarına etkisi araştırılmıştır. İncelenen tüm akış alanlarında, çarpma levhası üzerindeki Nusselt değerlerinin artan Reynolds sayısı ile arttığı, artan lüle-levha arası açıklık/levhalar arası açıklık ile azaldığı görülmüştür. Akış alanlarında sınırlayıcı levhanın varlığı, çarpma levhası üzerindeki Nusselt değerlerini azaltmaktadır. Slot jet akışında, sınırlayıcı levha eğim açısının θ≥30° ve levhalar arası açıklığın H/W≤1 değerlerinde, çarpma levhası uçlarındaki Nusselt değerlerinde artışların ortaya çıktığı, dairesel jet akışında, lüle-levha arası/levhalar arası açıklığın H/D≤3 değerlerinde çarpma levhası üzerindeki Nusselt dağılımlarında ikincil piklerin oluştuğu, dönmeli jet akışında, boyutsuz dönme sayısının (S) artmasıyla çarpma levhası üzerindeki Nusselt değerlerinin azaldığı ve dizi jet akışında, artan ikincil jet eğim açısıyla (α) birlikte, ikincil jetlerin çarpma levhası üzerinde oluşturduğu piklerin konumlarının birincil durma noktasına yaklaştığı görülmüştür.
Sayısal çalışmada, çarpan slot ve dizi jet akış alanlarında, Standard k-ε ve Standard k-ω türbülans modellerinin Kato-Launder modifikasyonu kullanılarak, çarpma levhası üzerinde Nusselt dağılımları hesaplanmıştır. Her iki türbülans modeliyle hesaplanan Nusselt dağılımlarının benzer olduğu ve çarpma bölgesinde deneysel sonuçlarla iyi bir uyumun sağlandığı görülmüştür.

Abstract:
In this study, the effects of heat transfer on impingement surfaces in turbulent flow fields of impinging slot, circular, swirl and array jet were investigated experimentally and numerically. In the experimental study, temperature distributions on the impingement plate were obtained with thermal camera. The effects of Reynolds number, nozzle-to-plate spacing/spacing between plates, confinement plate, confinement plate inclination angle, swirl geometry form and jet inclination angle on the Nusselt distributions on the impingement plate were investigated. It was observed that Nusselt values increased with increasing Reynolds number and decreased with increasing nozzle-to-plate spacing/ spacing between plates in all flow fields. The presence of the confinement plate in the flow fields reduces Nusselt values on impingement plate. In the slot jet, increases in Nusselt values at the impingement plate ends occur in values of θ≥30° of the inclination angle of the confinement plate and H/W≤1 of the spacing between plates. In the circular jet, secondary peaks are formed in Nusselt distributions on impingement plate for H/D≤3. In the swirl jet, Nusselt values decrease with the increase of dimensionles swirl number (S). In the array jet, with the increasing secondary jet inclination angle (α), it was observed that the positions of the peaks formed by the secondary jets approached the primary stagnation point.
In the numerical study, Nusselt distributions on the impingement plate were calculated with Standard k-ε and k-ω turbulence models in slot jet and array jet flow fields. It was found good agreement between experimental and numerical results.