Üzerinde üçgen kanatçıklar bulunan bir plakanın farklı eğim açıları altında doğal konveksiyon ile ısı transferinin deneysel incelenmesi
Experimental investigation of natural convection heat transfer from a plate with triangular fins at various inclination angles
- Tez No: 1016090
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ŞÜKRÜ ULAŞ ATMACA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Makine Mühendisliği, Energy, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Doğal konveksiyon, Doğal taşınım, Isı transferi, Natural convection
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Konya Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Enerji Sistemleri Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Doğal konveksiyon, dış bir tahrik mekanizması gerektirmeyen pasif soğutma sistemlerinin tasarımında temel ısı taşınım mekanizmalarından birini oluşturmaktadır. Bu çalışmada, yüzeyine 19 adet üçgen kesitli kanatçık işlenmiş 5083 alüminyum alaşımlı bir plakanın farklı eğim açılarında doğal konveksiyon ile ısı transferi performansı deneysel olarak incelenmiştir. Kanatçıklı formda gerçekleştirilen deneylerin ardından, kanatçıklar aynı plaka üzerinde CNC frezeleme ile işlenerek düz levha formu elde edilmiş ve deneyler özdeş koşullar altında yinelenmiştir. Bu yaklaşım, malzeme özellikleri ile sensör konumlarından kaynaklanabilecek belirsizlikleri ortadan kaldırarak kanatçık geometrisinin etkisinin bağımsız biçimde değerlendirilmesini sağlamıştır. Deneysel düzenek, 0° (yatay-yukarı) ile 180° (yatay-aşağı) arasında 15°'lik adımlarla belirlenen 13 farklı eğim açısında ve 8 farklı ısıl güç seviyesinde (0,375 W – 19,98 W) test edilmiştir. Toplam 208 bağımsız deneyi kapsayan çalışmada, plaka yüzey sıcaklıkları kararlı rejim koşullarında 5 adet K-tipi termokupl ile ölçülmüştür. Elde edilen veriler doğrultusunda 1,01·10⁵ ile 6,24·10⁶ aralığındaki Rayleigh sayılarına karşılık gelen ortalama Nusselt sayıları hesaplanmış ve her eğim açısı için Nu = C·Raⁿ formunda deneysel korelasyonlar türetilmiştir. Araştırma sonuçları, kanatçıklar vasıtasıyla 3,14 kat artırılan ısı transfer yüzey alanının, Churchill-Chu korelasyonuna kıyasla toplam soğutma performansını yaklaşık 2,0 ile 2,5 kat (%100–%150) oranında iyileştirdiğini ortaya koymuştur. Sık aralıklı üçgen kanatçıkların akışı kanallaştırma etkisi, sistemi“tam gelişmişe yakın kanal akışı”rejimine yönlendirmiş; bu durum, Nusselt sayısının Rayleigh sayısına duyarlılığını belirgin biçimde azaltmıştır (n ≈ −0,011). Söz konusu kararlı çalışma karakteristiği, pasif soğutma sistemlerinin değişken ısıl yükler altında güvenilir biçimde işlev görmesi açısından önemli bir avantaj sunmaktadır. Özellikle doğal konveksiyonun en zayıf olduğu 180° eğim açısında, düz levhada ısı transferini %32,8 oranında düşüren termal kilitlenme etkisi, kanatçıklı geometri ile azaltılmıştır. Kanatçıklı yapının 0°'den 180°'ye geçişteki performans kaybının %26,8 ile sınırlı kalması, bu geometrinin eğim açısına karşı gösterdiği direnci sayısal olarak doğrulamaktadır. Elde edilen bulgular, montaj açısı değişkenlik gösteren fotovoltaik paneller, elektronik cihazlar ve endüstriyel ısı dağıtıcıların pasif soğutma tasarımına yönelik kapsamlı deneysel veri sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Natural convection is one of the fundamental heat transfer mechanisms in the design of passive cooling systems that do not require an external driving force. In this study, the heat transfer performance of a 5083 aluminum alloy plate, equipped with 19 fins of triangular cross-section, was experimentally investigated under various inclination angles. Following the initial experiments with the finned geometry, the fins were machined off from the same plate using CNC milling to obtain a flat surface, and the experiments were repeated under identical conditions. This methodology eliminated uncertainties arising from material properties and sensor locations, thereby enabling an independent evaluation of the fin geometry's impact. The experimental setup was tested at 13 different inclination angles, ranging from 0° (horizontal-upward) to 180° (horizontal-downward) in 15° increments, and across 8 distinct thermal power levels (0.375 W – 19.98 W). In the study, which encompassed a total of 208 independent experiments, plate surface temperatures were measured using 5 K-type thermocouples under steady-state conditions. Based on the acquired data, average Nusselt numbers corresponding to Rayleigh numbers in the range of 1.01x105 to 6.24x106 were calculated, and experimental correlations in the form of Nu=C⋅Ran were derived for each inclination angle. The research results revealed that the heat transfer surface area, increased by a factor of 3.14 through the fins, enhanced the overall cooling performance by approximately 2.0–2.5 times (100%–150%) relative to the flat-plate prediction based on the Churchill–Chu correlation. The flow channeling effect of the closely spaced triangular fins shifted the system toward a“near-fully developed channel flow”regime; this significantly reduced the sensitivity of the Nusselt number to the Rayleigh number (n≈−0.011). This stable operating characteristic offers a significant advantage for passive cooling systems to function reliably under variable thermal loads. Particularly at the 180° inclination angle, where natural convection is at its weakest, the thermal stagnation effect—which reduces heat transfer by 32.8% in flat plates—was mitigated by the finned geometry. The fact that the performance loss of the finned structure remained limited to 26.8% when transitioning from 0° to 180° numerically validates the geometry's resilience to inclination angles. The findings provide comprehensive experimental data for the passive cooling design of photovoltaic panels, electronic devices, and industrial heat sinks with variable mounting angles.
Benzer Tezler
- Application of structural modification method to nonlinear vibration analysis of bladed disks
Yapısal değişiklik yönteminin kanatçıklı disklerin doğrusal olmayan titreşim analizinde uygulanması
BURCU ŞAYİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ENDER CİĞEROĞLU
- Üçgen kanatçıklı ve açık hücreli titanyum metal köpük üzerinde ısı transfer mekanizmasının sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of heat transfer mechanism on triangular fin and open cell titanium metal foam
AHMET MUHAMMET GÜL
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiVan Yüzüncü Yıl ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEDAT YAYLA
- Computational study of gas turbine blade leading edge internal cooling using efficient heat transfer surfaces
Verimli ısı aktarım yüzeyleri kullanarak gaz türbini kanadının hücum kenarının iç soğutmasının hesaplamalı çalışması
CELAL NAZLI
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Makine MühendisliğiGaziantep ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ FUAT YILMAZ
DOÇ. DR. AZİZE AKÇAYOĞLU
- Effect of fin shapes and impinging jets on hydro-thermal performance for solar air heater
Havalı güneş kollektörlerinde kanatçık şekilleri ve çarpan jetlerin hidrotermal performansa etkisi
ANAS KABLAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine MühendisliğiKarabük ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KAMİL ARSLAN
- Çevresine üçgen kanatçıklar yerleştirilmiş silindirlerden doğal taşınım ısı transferi
Natural convection heat transfer from triangular finned cylinders
KOY KOY AMISI
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Makine MühendisliğiKonya Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ŞÜKRÜ ULAŞ ATMACA