Taşıt radyatörlerinde bulunan dar kanallarda akış ve ısı transferinin incelenmesi
Investigation of the fluid flow and heat transfer in narrow radiator channels
Yazar: DUYGU İPCİ
Danışman: PROF. DR. HALİT KARABULUT
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, sıcaklık ve akış alan denklemleri yeni bir nümerik çözüm yöntemi kullanılarak, ikizkenar üçgen, sinüzoit ve parabolik kesitli radyatör hava kanallarının akış ve ısı transferi karakteristikleri belirlenmiştir. Hava kanallarındaki akış ve ısı transferi, hem tam gelişmiş akış hem de gelişmekte olan akış için modellenmiştir. Her iki durumda, akışın sıkışmaz ve laminer olduğu kabul edilmiştir. Giriş bölgesinde hız ve sıcaklık sınır tabaklarının eş zamanlı olarak geliştiği kabul edilmektedir. Kanalların giriş bölgesindeki akış alanları 3 boyutlu momentum denklemleri ile süreklilik ve momentum denklemlerinin bileşiminden elde edilen Poisson tipi bir basınç alan denklemi ile modellenmiştir. Sinüzoidal, parabolik ve ikizkenar üçgen şeklindeki kanal kesitleri ısı transferi ve akış alan denklemleri için düzensiz çözüm bölgeleri olduğundan bir takım zorluklarla karşılaşılmaktadır. Bu zorlukları yok etmek için kanalların kesit alanları uygun transformasyonlar kullanılarak kare şeklindeki çözüm bölgelerine dönüştürülmüştür. Yönetici denklemlerin içerdiği sıcaklık ve hız bileşenleri de uygun transformasyonlar kullanılarak boyutsuz büyüklüklere dönüştürülmüştür. Yönetici denklemler sonlu fark şekline dönüştürüldükten sonra Newton-Raphson yöntemi kullanılarak sayısal yöntemle çözülmüştür. Tam gelişmiş akış bölgesindeki ısı transferi, sabit ısı akısı (H1) ve sabit duvar sıcaklığı (T) olmak üzere iki farklı ısıl duvar şartı ile incelenmiştir. Kanalların farklı boy/en oranları için Nusselt ve Poiseuille sayıları belirlenmiştir. Sonuçlar literatür verileri ile kıyaslanmış ve uyumlu olduğu görülmüştür. Maksimum sapmanın % 3'ten az olduğu görülmüştür. Giriş bölgesindeki ısı transferinin analizinde sabit duvar sıcaklığı şartı uygulanmıştır. Reynolds sayısının 250, 500, 750, 1000 ve 12000 değerlerine karşılık gelen eksenel Nusselt sayısı dağılımları belirlenmiştir. Sabit duvar sıcaklığına haiz ve boy/en oranı 1,0 olan bir ikizkenar üçgenin giriş bölgesindeki eksenel Nusselt sayısı dağılımı ANSYS Fluent yazılımı ile de hesaplanmış ve bu tezde geliştirilen metotdan elde edilen Nusselt sayısı dağılımı ile karşılaştırılmıştır. Sonuçların birbiri ile çok uyumlu olduğu görülmüştür.

Abstract:
In this study, the flow and heat transfer characteristics of the radiator air ducts with isosceles triangular, sinusoidal and parabolic cross sections are investigated by using a new numerical solution method for temperature and flow field equations. The flow and heat transfer in air ducts are modeled for both the fully developed and developing flows. For both situations, the flow was assumed to be incompressible and laminar. In the entrance region, the velocity and temperature boundary layers are assumed to be simultaneously developing. The flow field in the entrance regions of the ducts are modeled with three dimensional momentum equations and a Poisson type pressure field equation obtained from the combination of the continuity and momentum equations. Due to that the sinusoidal, parabolic and isosceles triangles are non-regular solution domains of the governing equations of the flow and heat transfer fields, some difficulties are confronted. To eliminate these difficulties, the cross-sectional areas of ducts were transformed into square-shaped solution domains by using appropriate transformations. Velocity components and fluid temperature involved by governing equations are converted to dimensionless quantities by means of using appropriate transformations as well. Governing equations are solved numerically via Newton-Raphson method after being converted to the finite difference form. The heat transfer in the fully developed flow zone are investigated for two different thermal wall conditions as constant heat flux (H1) and constant wall temperature (T). Nusselt and Poiseuille numbers are calculated for various height /width ratios of the ducts. The results are compared with the literature data and found to be consistent. The maximum deviation is determined to be less than 3 %. In the analysis of entrance flow heat transfer, the condition of constant wall temperature is implemented. Axial distributions of Nusselt numbers are determined corresponding to 250, 500, 750, 1000 and 1200 values of Reynolds numbers. The axial distribution of the Nusselt number of a triangular duct with constant wall temperature is calculated for 1,0 of height/width ratio via ANSYS Fluent software and compared with the results of the developed method in the thesis. Result were found to be very compatible with each other.