Kare kesitli yay yerleştirilen boruda ısı transferi ve akışın sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of heat transfer and flow in a pipe with square cross section spring insert
Yazar: MEHMET FURKAN KORKMAZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ TAMER ÇALIŞIR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Sunulan tez kapsamında, içerisine kare kesitli yay yerleştirilen boruda, yayın geometrik parametrelerinin cidardan olan ısı transferine ve boru içi akışa olan etkileri üç boyutlu, sürekli şartlarda ve sayısal olarak irdelenmiştir. Kare kesitli yayın farklı geometrik boyutlandırmalarını incelemek amacıyla adım oranı (p/di) 0,5-0,8; kalınlık oranı (e/di) 0,0866-0,1102 ve çap oranı (dc/di) 0,72-0,92 aralığında boyutsuz ölçülere sahip on sekiz adet kare kesitli yay boru içerisine yerleştirilerek çalışma yapılmıştır. Akışkan olarak sabit termofiziksel özellikli su kullanılmış olup giriş sıcaklığı 75ºC ve 50.000 ≤ Re ≤ 80.000 aralığında akışlar incelenmiştir. İçerisine yay yerleştirilen borunun boyu 1000 mm, çapı 38,1 mm ve duvar sıcaklığı 35ºC belirlenmiş olup tüm çalışma boyunca sabit tutulmuştur. Yürütülen çalışmada sayısal yöntem tercih edilmiş olup hesaplamalar için ANSYS FLUENT ticari hesaplamalı akışkanlar dinamiği kodu (HAD) kullanılmıştır. Değişen Reynolds sayısına sahip akışlarda, kare kesitli yayın adım oranı, kalınlık oranı ve çap oranının değişiminin; Nusselt sayısı, basınç kaybı, sürtünme faktörü ve termo-hidrolik performans faktörü üzerindeki etkileri irdelenmiştir. Sonuç olarak Reynolds sayısı, yayın adım, kalınlık ve çap oranının ısı transferi ve diğer akış özellikleri üzerinde önemli etkisi olduğu görülmüştür. Özellikle duvara temas eden yay için simülasyon sonuçlarında termo-hidrolik performans faktöründe diğer konfigürasyonlara kıyasla kayda değer bir artış kaydedilmiştir. Çalışma sonucunda elde edilen veriler ile Reynolds sayısı ve yay parametrelerine bağlı Nusselt sayısı, sürtünme faktörü ve termo-hidrolik performans faktörünü veren korelasyonlar oluşturulup sunulmuştur.

Abstract:
In the present thesis, the effects of the geometric parameters of a spring with a square cross-section inserted into a tube on heat transfer through the wall and internal flow were investigated numerically in three dimensions under steady-state conditions. Eighteen springs with different geometric dimensions were placed inside the tube to examine their effects. The coils had dimensionless measurements within the ranges of pitch ratio (p/di) of 0.5-0.8, thickness ratio (e/di) of 0.0866-0.1102, and diameter ratio (dc/di) of 0.72-0.92. The study was conducted by using water with constant thermophysical properties as the working fluid, with an inlet temperature of 75ºC and Reynolds numbers ranging from 50,000 to 80,000. The length of the tube with the spring was set as 1000 mm, the diameter was 38.1 mm, and the wall temperature was kept constant at 35ºC throughout the study. The study was conducted numerically and the commercial computational fluid dynamics (CFD) code ANSYS FLUENT was used for the calculations. The study examined the effects of the variations in pitch ratio, thickness ratio, and diameter ratio of the square spring on Nusselt number, pressure drop, friction factor, and thermo-hydraulic performance factor for flows with varying Reynolds numbers. As a result, it was observed that Reynolds number and the pitch, thickness, and diameter ratios of the spring had significant effects on heat transfer and other flow characteristics. Especially in the simulation results where the spring is placed in contact with the wall, a significant increase in the thermo-hydraulic performance factor has been recorded compared to other configurations. With the data obtained as a result of the study, the correlations giving Nusselt number, friction factor and thermo-hydraulic performance factor depending on Reynolds number and the spring parameters were created and presented.