Geri Dön

Computational investigation of thermal performance enhancement in heat pipes

Isıl borularda ısıl performans geliştirmeye yönelik sayısal çalışma

  1. Tez No: 1011147
  2. Yazar: ÖMER ÇİFTÇİ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. AYDIN MISIRLIOĞLU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Bu çalışma, ısı borularının çalışma prensiplerini anlamayı ve bilgisayar analizi kullanarak onların çeşitli koşullarda ki performanslarını görmeyi amaçlamaktadır. Bu amaca ulaşmak için bir literatür taraması yapılmış ve en iyi yöntemin güvenilir mevcut bir deneye dayalı analiz yapmak olduğu sonucuna varılmıştır. Bu bağlamda, yerçekimi etkisi altında çalışan ve termosifon olarak bilinen ısı boruları öne çıkmaktadır. Kısaca ifade etmek gerekirse, termosifon ısı boruları, ısıyı bir noktadan diğerine verimli bir şekilde aktarmayı sağlayan pasif (yani hareketli parça içermeyen) sistemlerdir. Genellikle dikey konumda çalışırlar. Bu sistemlerde, yoğuşma bölgesinde yoğunlaşan sıvı, yerçekimi etkisi altında buharlaşma bölgesine geri döner. Basit yapıları, yüksek termal iletkenlikleri ve bakım gereksinimlerinin olmaması nedeniyle, dünya çapında birçok termal yönetim uygulamasında yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Gezegenimiz için hayati önem taşıyan enerji tasarrufuna katkıda bulunurlar. Daha ayrıntılı olarak açıklamak gerekirse, termosifonların çalışma prensibi temel olarak yerçekimi, kaldırma kuvveti ve hidrostatik basınç farklarına dayanmaktadır. Yerçekimi, sıvılaşmış buharın geri dönmesine neden olurken, kaldırma kuvveti ve basınç farkları buharlaşmış sıvının yukarı doğru hareket etmesine neden olarak bir döngünün tamamlanmasını sağlar. Bu doğal dolaşım mekanizması, herhangi bir pompa veya harici enerji kaynağına ihtiyaç duymadan çalıştığı için termosifonları son derece güvenilir ve enerji açısından verimli sistemler hâline getirmektedir. Ayrıca bu tür mekanizmalar normal yerçekimi koşullarında oldukça etkili olduğundan, bu sistemlerin termal performansı uzun zamandır verimli kabul edilmekte ve güvenilir sınıfına girmektedirler. Çalışmamızın ilk bölümünde, ısı borusu doğrudan analizi gerçekleştirildi ve CFD sonuçlarının deneysel sonuçlarla uyumu gözlemlendi. Bu uyum, geliştirilen sayısal modelin fiziksel gerçekliği doğru bir şekilde temsil ettiğini ve daha ileri analizler için sağlam bir temel sunduğunu göstermektedir. Bize iyi bir başlangıç noktası sağladı. Çalışmanın ikinci bölümünde, uzay araçlarında veya Uluslararası Uzay İstasyonu'nda (ISS) bulunanlar gibi yerçekimi etkisi olmayan sistemler için CFD analizleri yapıldı. Ancak ifade etmemiz gerekiyor ki, mikro yerçekimi koşullarında, bu sistemlerin çalışması ciddi şekilde sınırlıdır. Yerçekimi yokluğunda, sıvının geri dönüşü zorlaşır; sıvı birikimleri, sıvı-buhar arayüzünde kararsızlıklar, buharlaşma bölgesinde ara sıra kuruma ve sonuç olarak ısı transfer kapasitesinde önemli azalmalar meydana gelir. Bu durum, mikro yerçekimi ortamlarında geleneksel ısıl boru tasarımlarının tek başına yeterli olmadığını ve ilave sıvı taşıma mekanizmalarına ihtiyaç duyulduğunu açıkça ortaya koymaktadır. Bu zorlukların üstesinden gelmek için, mühendislik dünyasında sıklıkla kullanılan kılcallık etkisi kullanıldı. Böylece, sıvının geri dönüşü sağlandı. Uydu ve uzay görevleri için yerçekiminden bağımsız veya yerçekimine daha az duyarlı ısı borusu tasarımları geliştirmek büyük önem taşımaktadır. Tüm analizlerimiz Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Deneysel düzenekle uyumlu iki boyutlu bir CFD modeli, ANSYS Fluent yazılımı kullanılarak geliştirilmiştir. Faz değişim süreçlerini doğru bir şekilde temsil etmek için, buharlaşma ve yoğunlaşma olayları için Lee faz değişim modeli (buharlaşma ve yoğuşma olgularını sıcaklık farkına bağlı olarak tanımlar) kullanılırken, sıvı ve buhar fazlarının dağılımı Hacim Akışkan (VOF) çok fazlı akış yaklaşımı kullanılarak çözülmüştür. Sayısal çözümün güvenilirliğini artırmak amacıyla kapsamlı bir ağ bağımsızlık çalışması gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, uygun ağ yapısı seçimiyle birlikte sayısal çözümün ağdan bağımsız hâle gelebilmesini sağlamıştır. Bu doğrulanmış sayısal model, mikro yerçekimi koşullarını temsil edecek şekilde genişletilmiştir. Yerçekiminin etkisini ortadan kaldırmak için, ısı borusu yatay bir konumda modellenmiş ve ANSYS FLUENT içinde yerçekimi etkileri devre dışı bırakılmıştır. Bu, sıvının yerçekimi nedeniyle geri dönmesini önlemiştir. Ek olarak, sıvı akışkanın buharlaşma bölgesine geri dönmesini sağlamak için sisteme gözenekli bir ortam yerleştirilmiştir. Isıl borunun evaporatör, adyabatik ve kondenser bölgelerini kapsayacak şekilde poroz bir ortam (1 mm kalınlığında) eklenmiştir. Bu yapı, kılcal etkiler oluşturarak yerçekimi olmadan bile sıvı taşınmasını sağlamayı amaçlamaktadır. Gözenekli ortam özelliklerinin faz dağılımı, sıvı geri dönüş sürekliliği, buhar akışı kararlılığı ve genel termal performans üzerindeki etkileri detaylı olarak incelenmiştir. Bu boruların istenen performans değerlerini sağlayıp sağlamadığını belirlemek için literatürde kullanılan çeşitli formüller kullanılmıştır. Bu formüller, analizlerimiz arasında karşılaştırmalar yapmamıza olanak tanır. Özetlemek istersek, elde edilen bulgular, ısı borusu içindeki iki fazlı akış davranışının mikro yerçekimi koşulları altında önemli ölçüde değiştiğini ve kılcal kuvvetlerin sıvı geri dönüşünde baskın mekanizma haline geldiğini göstermektedir. Kılcal yapıların yokluğunda sıvı birikimleri ve akış dengesizlikleri termal performansı ciddi şekilde azaltır. Buna karşılık, gözenekli ortamın kullanımı sıvı dolaşımını önemli ölçüde iyileştirdi, faz ayrımını mümkün kıldı, sıvı-buhar ara yüzeyini stabilize etti ve yerçekimi olmadığında performans kaybını önemli ölçüde azalttı. Uygun çalışma koşullarında yer çekimi olmadan bile kararlı ve verimli ısı transferinin mümkün olduğu gösterilmiştir. Çalışmamız, CFD yönteminin uzay uygulamalarında ısı borusu tasarımı ve analizi için güçlü bir araç olduğunu göstermektedir; uydular, uzay araçları ve uzun vadeli yörünge görevleri için gelişmiş pasif termal kontrol sistemlerinin geliştirilmesine önemli katkılar sağlamaktadır. Uygun tasarım ve çalışma koşulları altında, yerçekimi olmaksızın dahi kararlı ve verimli bir ısı transferinin mümkün olduğu açıkça ortaya konmuştur. Sonuç olarak, bu çalışma mikrogravite ortamlarında ısıl boru ait performansı artırmaya yönelik etkili tasarım stratejileri sunmakta ve kapiler destekli ısıl boru konfigürasyonlarının uzay uygulamaları için güçlü bir alternatif olduğunu ortaya koymaktadır. CFD tabanlı analiz yaklaşımı, yalnızca mevcut sistemlerin davranışını anlamakla kalmayıp, aynı zamanda uzay görevlerine yönelik yeni nesil pasif ısıl kontrol sistemlerinin tasarımı ve optimizasyonu için güçlü bir araç olduğunu göstermektedir. Elde edilen sonuçların, uzay araçları, uydular, ISS benzeri platformlar ve gelecekteki derin uzay görevleri için geliştirilecek yüksek güvenilirlikli ve düşük bakım gerektiren ısıl yönetim sistemlerine önemli katkılar sağlaması beklenmektedir. Buraya kadar anlatılan bölümler bu çalışmanın ana çerçevesini ve temel yaklaşımını oluşturmaktadır. Mühendislik üzerine olan anlayışımızı geliştirmek için bu analizlerin dışında daha başka analizler de yapılabilme ihtimali vardır. Burada ki çalışmalar gelecekte yapılabilecek kısımları içermektedir. Bu ek çalışmalar, sistemin yalnızca belirli bir çalışma koşulundaki davranışını değil, farklı tasarım ve işletim senaryoları altındaki tepkilerini de ortaya koymayı hedefler. Isı borusunun performansını etkileyen önemli tasarım ve işletim parametrelerinin etkisini incelemek için kapsamlı bir parametrik analiz gerçekleştirilebilir. Isıtma gücü, doluluk oranı, çalışma sıvısı türü, iç basınç ve boru malzemesi gibi parametreler sistematik olarak performansa etkirler. Seçilen kriterler, farklı araştırmacılar tarafından önerilen sınıflandırmaları ve deneysel bulguları kapsayacak şekilde belirlenmiştir. Analizlerin sonuçları, daha ileri araştırmalar için bu tezin son bölümünde sunulmuş olup, ısıl boru davranışının bu parametrelere duyarlılığını açıkça ortaya koyulması gerekmektedir. Elde ettiğimiz sonuçlar, yalnızca mevcut çalışmanın kapsamını genişletmekle kalmayıp, gelecekte yapılacak deneysel ve sayısal çalışmalar için de önemli bir referans niteliği taşımaktadır.

Özet (Çeviri)

This study aims to examine the working principles of heat pipes and their usability using computer analysis. To achieve this goal, a literature review was conducted, and it was concluded that the best method is to perform the analysis based on a reliable experiment. In this regard, heat pipes operating under the influence of gravity, known as thermosyphons, stand out. Briefly, thermosyphon heat pipes are passive (i.e., containing no moving parts) systems that enable the efficient transfer of heat from one point to another. They generally operate in a vertical position. In these systems, the liquid fluid that condenses in the condensation zone returns to the evaporation zone under the influence of gravity. Due to their simple structure, high equivalent thermal conductivity, and lack of maintenance requirements, they are widely used in many thermal management applications around the world. They contribute to energy conservation, which is crucial for our planet. To elaborate, the working principle of thermosyphons is fundamentally based on gravity, buoyancy, and hydrostatic pressure differences. Gravity causes the liquefied vapor to return, while buoyancy and pressure differences cause the evaporated liquid to move upwards, thus completing a cycle. Since these mechanisms are quite effective under normal gravity conditions, the thermal performance of these systems has long been well known and considered reliable. In the first part, the heat pipe was directly analyzed, and the agreement of the CFD results with experimental results was observed. This provided us with a fundamental starting point. In the second part of the study, CFD analyses were performed for systems without gravity effects, such as those found on spacecrafts and the International Space Station (ISS). However, under microgravity conditions, the operation of these systems is severely limited. In the absence of gravity, the return of the liquid becomes difficult; liquid accumulations, instabilities at the liquid-vapor interface, occasional dry-out in the evaporation region, and consequently, significant reductions in heat transfer capacity occur. To overcome these difficulties, the capillary effect, which is important in the engineering world, was utilized. Thus, the return of the liquid was ensured. Developing gravity-independent or less gravity-sensitive heat pipe designs for satellite and space missions is of great importance. All our analyses were performed using Computational Fluid Dynamics (CFD). A two-dimensional CFD model compatible with the experimental setup was developed using ANSYS Fluent software. To accurately represent the phase change processes, the Lee phase change model was used for evaporation and condensation events, while the distribution of liquid and vapor phases was solved using the Volume of Fluid (VOF) multiphase flow approach. This stage also included mesh analyses to increase model reliability. This validated numerical model was extended to represent microgravity or reduced gravity conditions. To eliminate the effect of gravity, the heat pipe was modeled in a horizontal position, and gravity effects were disabled within ANSYS FLUENT. This prevents the liquid from returning due to gravity. In addition, a porous medium was placed inside the system to allow the liquid fluid to return to the evaporation region. This porous structure aims to enable the transport of liquid even without gravity by creating capillary effects. The effects of the porous medium properties on phase distribution, liquid cycle continuity, vapor flow stability, and overall thermal performance have been investigated in detail. Various formulas used in the literature were employed to determine whether these pipes deliver the desired performance values. These formulas allow us to make comparisons between our analyses. The sections described so far constitute the main framework. These analyses can be followed by further analyses. A comprehensive parametric analyses can be conducted to examine the effect of key design and operating parameters affecting the heat pipe's performance. Parameters such as heating power, filling ratio, working fluid type, internal pressure, and pipe material, systematically varied. The key parts of these analyses are presented in the final section of this thesis for further research, clearly demonstrating the sensitivity of thermosyphon behavior to these parameters. To conclude, the results obtained show the significant changes in the behavior of two-phase flow in the heat pipe under the conditions of microgravity, with the dominant role of capillary forces in the return of the fluid. The absence of capillary structures led to a significant degradation of heat pipe performance due to the presence of fluid accumulations and instabilities. On the other hand, the use of porous media resulted in the improvement of fluid circulation, the separation of phases, the stabilization of the interface of the fluid and vapor phases, and the reduction of performance degradation without the presence of gravity. It has been demonstrated that stable and effective heat transfer is achieved without the presence of gravity under certain conditions. In conclusion, the results obtained in the present work confirm the efficiency of the CFD method in the design and analysis of heat pipes in space, contributing to the development of advanced passive thermal control systems used in satellites, spacecraft, etc.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    754502

    İyonık sıvı bazlı nanoakışkanların (İyonanoakışkan) manyeik alan altındaki akış ve ısı transferi davranışlarının sayısal olarak incelenmesi

    Numerical investigation of flow and heat transfer behaviors of ionic liquid based nanofluids (Ionanofluids) under magnetic field

    ENES ŞAKİRALİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    EnerjiKarabük Üniversitesi

    Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ENGİN GEDİK

  2. Tez No

    950716

    Boruda ısıtıcı yüzey üzerine yerleştirilen yenilikçi vorteks üretici tasarımlarının geko türbülans modeli ile ısıl performansının sayısal analizi

    Numerical investigation of the thermal performance of innovative vortex generator designs placed on the heated surface in a pipe with the geko turbulence model

    NECİP HAZER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Makine MühendisliğiYozgat Bozok Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN ZAHİT DEMİRAĞ

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ATİLA ABİR İĞCİ

  3. Tez No

    1018771

    Numerical investigation of heat transfer in generic gas turbine blade with impingement cooling under high crossflow effect

    Yüksek çapraz akış etkisi altında çarpma jet soğutmalı jenerik bir gaz türbini kanadında ısı transferinin sayısal incelenmesi

    SEFA YILMAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2026

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SERTAÇ ÇADIRCI

  4. Tez No

    890863

    Natural and forced convection from rotating two tandem cylinders positioned in a cavity

    Kavite içerisine konumlandırılan ikili ve döndürülen silindirden meydana gelen doğal ve zorlanmış taşınım

    BERKAY TAŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Makine MühendisliğiAdana Alparslan Türkeş Bilim ve Teknoloji Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NAZIM KURTULMUŞ

  5. Tez No

    805084

    Spiral kanatlı-borulu ısı değiştiricilerin ısıl-hidrolik özelliklerinin incelenmesi

    Investigation of the thermal-hydraulic characteristics of spiral finned-tube heat exchangers

    RAMAZAN YILMAZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine MühendisliğiEge Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NECDET ÖZBALTA

Geri Dön