Farklı geometrideki çukurlu yüzeylerin ısı transferi ve akış özelliklerine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of pitted surfaces indifferent geometry on heat transfer and flowproperties
Yazar: SUNA KOPUZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ELİF EKER KAHVECİ
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Isı aktarımı, sıcaklıkları farklı iki veya daha fazla nesne arasında iletim, taşınım ya da ışınım yoluyla (veya bu yolların birbirleri ile olan birleşimleri yoluyla) gerçekleşen enerji aktarımının incelenmesidir.
Taşınımla ısı aktarımı temel olarak moleküllerin kitleler halinde hareketinden kaynaklanır. İki farklı sıcaklıktaki yüzey arasında hareket halindeki akışkan bu hareketi sırasında ısı taşınımını sağlar.
İletimle ısı aktarımı ise durgun bir ortamda gerçekleşir. Birbirleriyle temas halindeki moleküllerin kafes yapısındaki titreşimler sayesinde ısı bir sonraki moleküle taşınır.
Işınımla ısı aktarımında ise ısı aktarımı için bir ortama ihtiyaç duyulmaz. Birbirini gören yüzeyler arasında sıcaklık farkı olduğu sürece ışınımla ısı aktarımının olduğunu söylemek mümkündür.
Bilim ve mühendisliğin birçok alanında, belirli bir sıcaklık farkı olması durumunda, ortama bağlı olarak sıcaklık dağılımının ve ısı geçişinin bulunması önemli bir konudur. Belirli sürede verilen ısı geçişini sağlayacak bir cihazın boyutlandırılması, uygulanmasının yapılıp yapılmayacağını ve kullanışlı olup olmadığının incelenmesi, maliyetinin tahmin edilmesi için kapsamlı bir ısı geçişi analizi yapılmalıdır.
Sürekli olarak fosil yakıtların tüketilmesi sonucu enerji talebinin azalmasıyla yenilebilir enerji kaynaklarını kullanmanın yanı sıra enerjiyi verimli kullanmakta oldukça önem taşımaktadır. Enerji verimini arttırmanın en önemli süreçlerinden bir tanesi de ısı transferi gerçekleşen alanlardır. Mühendislikte, bilimde, sanayide ve pek çok alanlarda kullanılan ısı değiştiricilerinde verim artışını da sağlamak için genişletilmiş yüzeylerde ısı transferini arttırma çabaları da en çok kullanılan yöntemlerdendir.
Bu çalışmada da dikdörtgen tipli kanalda dairesel ve elips kesit alanına sahip çukurlu yüzeylerin taşınımsal ısı transferine ve sürtünme faktörüne etkisi ele alındı. Elips kesit alanına sahip çukurların etkisini incelemek için 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75° ve 90° olmak üzere 7 farklı açı belirlendi. Bahsedilen şekillerin dizilimleri üçgen şeklinde seçildi ve çukurlar arasındaki akışa paralel mesafe 2 farklı değer (21,6mm-24mm) olacak şekilde ele alındı.Derinlik çapa oranı için ise 0,067-0,1-0,2 değerleri hem dairesel hem de elips çukurlarda  belirlendi.
Bu çukurlu yüzeylerin ısı transferine ve sürtünme faktörüne etkisini incelemek için sayısal çözümlerde Ansys-Fluent programı kullanıldı. Çözüm esnasında dikdörtgen kanal içerisinde akışkan olarak hava kullanıldı. Isı transferine etkisinin incelenmesi için 6 çeşit Reynolds sayısı (10000-60000 değerleri) ele alındı. Belirtilen aralıktaki Reynolds sayılarının herbiri için denk gelen hızlar hesaplandı.
Belirlenen 6 çeşit Reynolds sayısının etkisini görmek için çukurların arasındaki akışa paralel mesafe olan 2 farklı SL değerine, hem dairesel hem de elips çukurlarda derinliğin çapa oranı için 3 farklı çap değerine ve 7 farklı açıya göre ayrı ayrı toplamda 252 adet analiz yapıldı. 
Yapılan analizler sonucunda giriş çıkış basınç değerleri, kütlesel debi miktarı ve giriş çıkış sıcaklık değerleri not edildi.
Hava önce 250mm lik bölümden geçerek 298K sıcaklıkta modele girdi. Daha sonra kanalın alt tarafında bulunan dairesel ve elips çukur kombinasyonundan geçti. Modelde çukur kombinasyonunun bulunduğu levha 318K de sabit sıcaklıkta tutuldu. Modelde hava çukurlar vasıtasıyla karşılaştırılarak ısı geçişi aktarılması hedeflendi. Modelden geçen hava model çıkışına geldi.
Çukur şeklindeki geometriler, ısı transferinin artmasına ve akışın artmasına neden olan bir tür pürüzlülük oluşturmak için yüzeyde girintili geometriler dizisi olarak tanımlanır. Elmas şekli kullanıldığında optimum performans veren pim kanatlarının aksine en iyi çukur performansı düzenlemeye, çıkıntıların derinliğine ve alan yüzeyinin baskısına göre gerçekleştirilir. 
Türbülans, bir akışkanın hareket halindeki düzensizliğidir. Akışkanın düzenli katmanlar halinde aktığı laminer akışın aksine türbülanslı akışlar düzensiz biçimde karışarak hareket eder. 
Akışın hangi rejimde olduğu atalet kuvvetlerinin viskozite kuvvetlerine oranını belirten boyutsuz Reynolds sayısı ile tahmin edilebilir. 
Örneğin tipik bir boru akışı için Reynolds sayısı 2300 ü geçtikten sonra akış, türbülanslı rejime geçer. Bu çalışmada da Reynolds sayısı için 10000-60000 değer aralığı baz alındı. Kullanılan Reynolds aralığından da  görüldüğü üzere türbülanslı akış sistemde gerçekleşti. Türbülans modellerinde en uygun modeli seçmek için en yüksek Reynolds sayısı kullanılarak çözümlemeler yapıldı. Yapılan çözümlemelerin hem Nusselt sayısı için hem de sürtünme faktörü için sağlaması yapıldı.
Yapılan sağlamalar sonucunda Reynolds sayısının, Nusselt sayısına, sürtünme faktörüne ve ısı transferine olan etkisi incelendi. Yapılan incelemeler sonucunda tablolar oluşturuldu ve kıyaslamalar yapıldı. 
Konu ile alakalı kaynak araştırmaları yapıldı ve tezde yer verildi.

Abstract:
Heat transfer is the study of energy transfer between two or more objects with different temperatures through conduction, convection or radiation (or through the combination of these ways with each other). 
Convective heat transfer is basically caused by the movement of molecules in masses. The fluid in motion between two surfaces at different temperatures provides heat transfer during this movement.
Heat Transfer by Conduction occurs in a stagnant environment. Heat is transferred to the next molecule thanks to the vibrations in the cage structure of the molecules in contact with each other. 
In radiative heat transfer, a medium is not needed for heat transfer. It is possible to say that there is heat transfer by radiation as long as there is a temperature difference between the surfaces facing each other.
In many fields of science and engineering, finding the temperature distribution and heat transfer depending on the environment in case of a certain temperature difference is an important issue. A comprehensive heat transfer analysis should be carried out to size a device that will provide heat transfer in a certain period of time, to examine whether it can be applied and whether it is useful, and to estimate its cost.
As energy demand decreases as a result of continuous consumption of fossil fuels, it is very important to use energy efficiently as well as using renewable energy sources. One of the most important processes of increasing energy efficiency is the areas where heat transfer occurs. Efforts to increase heat transfer on expanded surfaces are among the most commonly used methods to increase the efficiency of heat exchangers used in engineering, science, industry and many other fields.
In this study, the effect of dimpled surfaces with circular and ellipse cross-sectional areas on convective heat transfer and growth factor in a rectangular channel was investigated. To scan the pits in the ellipse cross-sectional area, 7 different angles were determined: 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75° and 90°. 
The arrangements of the mentioned shapes were chosen as triangles and the distance parallel to the distance between the pits was chosen as 2 different values (21,6mm and 24mm). For the depth-to-diameter ratio, values of 0,067-0,1-0,2 were determined to be in both circular and ellipse pits. The Ansys-Fluent program was recorded in digital solutions for the distribution of heat transfer and rates of these dimpled surfaces. Air recording as fluids within the recorded channel during solution. Turbulences are changes in the motion of a fluid.
Ansys-Fluent program was used in numerical solutions to examine the effect of these dimpled surfaces on heat transfer and friction factor. During the solution, air was used as the fluid in the rectangular channel. To examine the effect on heat transfer, 6 types of Reynolds numbers (10000-60000 values) were considered. The corresponding velocities were calculated for each of the Reynolds numbers in the specified range.
In order to see the effect of the 6 types of Reynolds numbers determined, a total of 252 analyzes were made according to 2 different SL values, which is the distance parallel to the flow between the pits, 3 different diameter values for the ratio of depth to diameter in both circular and elliptical pits, and 7 different angles.
As a result of the analyses, inlet and outlet pressure values, mass flow rate and inlet and outlet temperature values were noted.
The air first passed through the 250mm section and entered the model at a temperature of 298K. It then passed through a combination of circular and elliptical pits located at the bottom of the channel. In the model, the plate containing the pit combination was kept at a constant temperature of 318K. In the model, it was aimed to transfer heat transfer by comparing air through pits. The air passing through the model came to the model outlet.
Dimple-shaped geometries are defined as a series of geometries indented on the surface to create a type of roughness that results in increased heat transfer and increased flow. Unlike pin blades, which give optimum performance when a diamond shape is used, the best dimple performance is achieved according to the arrangement, the depth of the protrusions and the pressure of the field surface.
Turbulence is the disorder in motion of a fluid. Unlike laminar flow, where fluid flows in regular layers, turbulent flows mix and move chaotically.
The regime of the flow can be estimated by the dimensionless Reynolds number, which indicates the ratio of inertial forces to viscosity forces.
For example, for a typical pipe flow, after the Reynolds number exceeds 2300, the flow passes into the turbulent regime. In this study, the value range of 10000-60000 was taken as basis for the Reynolds number. As can be seen from the Reynolds range used, turbulent flow occurred in the system. In turbulence models, analyzes were made using the highest Reynolds number to select the most appropriate model. The analyzes were verified for both the Nusselt number and the friction factor.
The results obtained are; Nutotal and Nutotal/Nu0 values remain constant in all cases of 6 different Reynolds numbers. As the pit depth/diameter ratio increases, Nutotal and Nutotal/Nu0 values increase (SL), while as the distance between pits increases, Nutotal and Nutotal/Nu0 values decrease. It is concluded that there is no effect of oval pit angle on Nutotal and Nutotal/Nuo at low values of pit depth/diameter ratios. However, at the largest pit depth/diameter ratio, that is, at a value of 0.2, the importance of the oval pit angle on Nutotal and Nutotal/Nu0 becomes apparent. When the pit depth/diameter is 0.2 and the distance between the pits is SL = 21.6mm and 24mm, there is a decrease with the oval pit angle in both cases. 
As the Reynolds number increases, there is generally a decrease in ftotal and an increase in the ftotal/f0 ratio. As the pit depth/diameter ratio increases, an increase in ftotal and ftotal/f0 values is observed. It is observed that as the pit depth/diameter ratio increases, ftotal and ftotal/f0 values increase due to the effect of oval pit angles. For a pit depth/diameter ratio of 0.067, f and f/fo changes with oval pit angles are very small. 
At both SL values (21.6 mm and 24mm), when the pit depth/diameter ratio was 0.1, the maximum ftotal and ftotal/f0 values were obtained at an oval pit angle of 45°. Then, the largest ftotal and ftotal/f0 values of 60° and 75°, respectively, were obtained. 
As can be seen from the figures, when the pit depth/diameter ratio is 0.2, there are fluctuations and thus it is not possible to make a clear comparison of ftotal and ftotal/f0 values for the oval pit angle. In cases where the pit depth/diameter ratio is 0.067 and 0.1, the SL effect on ftotal and ftotal/f0 is negligible. However, the effect that occurs as the value of the pit depth/diameter ratio increases is also evident from the figures. Situations where the pit depth/diameter ratio is 0.2 are the points where the SL distance between pits is most sensitive. It can be seen from the figures that when the pit depth/diameter ratio is 0.2, ftotal and ftotal/f0 values greater than 24mm are obtained at SL = 21.6 mm. In cases where the oval pit angle is 75°, the differences between ftotal and ftotal/f0 are very large depending on the distances between the pits.
As a result of the verifications, the effect of Reynolds number on Nusselt number, friction factor and heat transfer was examined. As a result of the examinations, tables were created and comparisons were made. Source research on the subject was conducted and included in the thesis.