Eğrisel yüzeyler üzerindeki akışlarda Reynolds ve Prandtl sayılarının nusselt sayısına etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of Reynolds and Prandtl numbers on nusselt number in the flow around curved surfaces
Yazar: ÖMER FARUK CAN
Danışman: DOÇ. DR. İHSAN DAĞTEKİN
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic

Özet:
Bu çalışmada silindir, iç bükey ve dış bükey yüzeyler üzerinden laminar ve türbülanslı akış sayısal olarak incelenmiştir. Adı geçen geometriler için Prandtl ve Reynolds sayılarının Nusselt sayısı üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Laminar ve türbülanslı akış için Reynolds sayısının geniş bir aralığında (4x104 ? 4x105) çalışılmıştır. Çalışmada akışkan olarak Prandtl sayıları 0.234 ? 3431 aralığında değişen hava, NH3, civa, freon, etilen glikol ve motor yağı kullanılmıştır. İç bükey ve dış bükey yüzeylerin eğrilik boyutları değiştirilerek yeni bir boyutsuz parametre (Rr = Rmax/Rmin) tanımlanmış ve bu parametrenin 3 farklı değeri için sonuçlar elde edilmiştir.Sayısal çalışma için ANSYS CFX 11.0 paket programı kullanılmıştır. Geometrik model oluşturulması ve oluşturulan modelin sonlu elemanlara ayırma işlemi ANSYS Workbench programıyla gerçekleştirilmiştir.Türbülans modeli olarak Shear Stress Transport Model (SST) kullanılmıştır. Bu model standart k-? model ve k- ? modelleri ile kıyaslanmıştır.İlk olarak sayısal sonuçları doğrulamak için literatürde yaygın olarak çalışılmış silindir üzerindeki akış ve ısı transferi farklı Prandtl ve Reynolds sayılarındaki farklı akışkanlar için incelenip literatürle karşılaştırılmıştır. Daha sonra literatürde yaygın olmayan iç bükeyve dış bükey geometri üzerindeki akış farklı Prandtl ve Reynolds sayılarında detaylı olarak incelenmiştir.Sonuçlar hız, sıcaklık ve basınç eşçizgileri, yerel ve ortalama Nusselt sayısı, direnç katsayısı ve art izi mesafesi biçiminde sunulmuştur. Ayrıca her bir geometri için Reynolds ve Prandtl sayılarına bağlı olarak ortalama Nusselt sayıları için şeklinde bağıntılar elde edilmiştir.Sonuç olarak, Re ve Pr sayılarının artmasıyla yerel ve ortalama Nusselt sayıları arttığı ve dikey yöndeki eğriliğin artmasıyla yerel ve ortalama Nusselt sayılarının, direnç katsayılarının ve art izi mesafelerinin arttığı görülmüştür. İç bükey ve dış bükey yüzeylerin Rr = 1 durumu için ortalama Nusselt sayısı değerlerinin en düşük değerleri aldığı, benzer şekilde iç bükey ve dış bükey yüzeylerin (Rr = 4) durumu için ise en yüksek değerleri aldığı tespit edilmiştir. Ortalama Nusselt sayısı için elde edilen bağıntılarda Prandtl sayısının etkisinin ihmal edilemeyecek düzeyde olduğu gözlemlenmiştir. Ortalama Nusselt sayısı için elde edilen sonuçlar literatürdeki deneysel verilerle kıyaslanmış ve oldukça uyumlu sonuçlar elde edilmiştir. Silindir ve dış bükey yüzey üzerinden akışta yüksek Reynolds sayılarında yerel Nusselt sayılarının 2 farklı minimum noktadan geçtiği, iç bükey üzerinden akışta minimum noktanın oluşmadığı görülmüştür.

Abstract:
In this study, laminar and turbulent flow were examined numerically on the cylindrical, concave and convex curved surfaces. Effects of Prandtl and Reynolds numbers on Nusselt number for these geometries were investigated. A wide range of Reynolds number between 4x104 and 4x105 was chosen for both laminar and turbulent flow. Air, NH3, mercury, freon, ethylene glycol and motor oil whose Prandtl numbers changing from 0.234 to 3431 were taken as working fluid for the analysis. A new nondimensional parameter (Rr = Rmax/Rmin) was defined changing dimensions of curvature of concave and convex surfaces, and numerical solutions were obtained for three different cases of RrFor numerical analysis ANSYS CFX 11.0 software program was used. Geometry and mesh structure of the models were created in the Workbench package program.Shear Stress Transport (SST) was chosen as turbulent model. This model was compared to standard k-? and k- ? models.Firstly, in order to verify numerical results fluid flow and heat transfer over a cylindrical surface which is widely studied in the literature was investigated for different Reynolds and Prandtl numbers, and the obtained results were compared with literature values. Secondly, the fluid flow and heat transfer over both concave and convex surfaveswhich were rarely studied in the literature were examined for different Reynolds and Prandtl number numerically.The results obtained were presented as velocity, temperature and pressure contours, local and average Nusselt numbers, drag coefficients, wake length. In addition, average Nusselt number correlations ( ) were obtained for different geometrical cases depending on Reynolds and Prandtl numbers.As a result, it is found that with the increase of Re and Pr numbers local and mean Nu numbers increase and with the increase of vertical curvature of geometry local and mean Nu numbers, drag coefficients, the length of wake region increase. It was found that the lower values of mean Nusselt number were obtained in both concave and convex surfaces for Rr = 1, while the highest values of mean Nusselt number were obtained in both concave and convex surfaces for Rr = 4. It was observed that in obtaining correlations for mean Nusselt numbers the effect of Pr number cannot be neglected. It was found that the obtained numerical results for mean Nusselt number have good a agreement for experimental results in the literature. Further, it was observed that at high Reynolds numbers for the flow over both cylindir and convex surfaces mean Nusselt numbers have two different minimum but for the concave surface no any minimum are obtained.