Geri Dön

Experimental and numerical investigation of momentum and heat transfer in open-cell metal foam subjected to oscillating flow

Salınımlı akış koşullarında açık hücreli metal köpükte akış ve ısı geçişinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 393060
  2. Yazar: ÖZER BAĞCI
  3. Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU, PROF. DR. NİHAD DUKHAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Enerji, Makine Mühendisliği, Energy, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2015
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 168

Özet

Gözenekli ortamda salınımlı akış ve ısı geçişine nükleer santrallerin soğutma üniteleri, pistonlu içten yanmalı motorlar, ısı boruları, rejeneratörler, Stirling motorları gibi birçok mühendislik uygulamasında rastlanmaktadır. Yüksek ısı kayıp oranları sebebiyle, yüksek güç yoğunluklu, yüksek hızlı elektronik bileşenleri soğutmak için gözenekli ortamda salınımlı akışın kullanılmasına ilgi artmıştır. Gözenekli ortamda salınımlı akışla ısı geçişi konusu, örneğin bilyalı yataklarla, daha önce çalışılmıştır. Metal (Alüminyum, bakır, nikel vb.) köpükler nispeten yeni nesil gözenekli ortamlardır. 10000 m2/m3'lere ulaşan, oldukça yüksek yüzey alan yoğunluklarına ve %90 mertebelerinde yüksek gözenekliliklere sahiptirler. Metal köpüklerin içyapılarını oluşturan, kirişlerle çevrili hücrelerin şekilleri tetradekahedrona benzetilebilir. Metal köpüklerde havanın salınımlı akışı da akademik çalışmalara daha önce konu olmuştur. Fakat suyun bu tür çalışmalarda kullanıldığı görülmemiştir. Gözenekli ortamlarda akış ve ısı geçişi bakımından, hava ve su birbirinden oldukça farklıdır: Momentum ve enerji mekanizmalarında kaynak terimi olarak bulunan dispersiyon su için önemli, hava için ise ihmal edilebilirdir. Doymuş gözenekli ortamlarda hava ve su için etkin ısı geçiş katsayıları birbirilerinden yine oldukça farklıdır. Bunların yanı sıra, Prandtl sayıları ve diğer termofiziksel özellikleri farklılık göstermektedir. Suyun sıkıştırılabilirliği ve titreşimli akıştaki rastgele davranışı farklı incelenebilir. Bu gibi ayrılıkların akış alanı ve sıcaklık dağılımlarında da kendilerini belli etmesi beklenmektedir. Bu çalışmada, 20 ppi (inç başına gözenek) gözenek yoğunluğuna ve %87 gözenekliliğe sahip, silindirik şekilli ticari bir alüminyum köpük, suyun düz ve salınımlı akış durumlarında incelenmiştir. Silindirin malzemesi 6101-T6 kodlu alüminyum alaşımıdır ve 6061-T6 kodlu yine bir alüminyum alaşımından üretilmiş bir borunun içine sert lehimle kaynatılmıştır. Bu birleştirme yönteminin seçilmesindeki amaç ısıl temas direncinin minimum değerde tutulması gerekliliği idi. Metal köpüğü bir test bölmesi olarak, daha önceki çalışmalarda kullanılmış, var olan düzeneğe yerleştirmeden önce düzenek hidrodinamik olarak denendi. Bu aşama için kullanılan gözenekli ortamlar 1 ve 3 mm çapındaki çelik kürelerin oluşturduğu, boyut olarak da metal köpüğün brüt hacmiyle benzeşen bilyalı yataklardı. Literatürde rastlanan tüm gözenekli ortam rejimleri bu denemede bulundu. Ayrıca daha önceki bilyalı yataklarda elde edilen sonuçlar tekrarlanabildi. Böylece düzeneğin sürünen akıştan türbülanslı akışa uzanan geniş bir yelpazedeki kullanılabilirliği gösterilmiş oldu. Bilyalı yataklar denemeden sonra metal köpük ile değiştirildi, fiber contalar ve teflon bantlar ile sızdırmazlık sağlandı. Sabit hızlı, tek yönlü akış deneyleri için 3.5 m yüksekliğinde bir kule yapıldı ve üzerine 50 litrelik bir su tankı yerleştirildi. Tankın üst noktasına yakın, aynı seviyede 4 noktaya 1.9 cm çapında delik delindi. Bu deliklerden su çıkışı sağlanarak sabit su yüksekliği ve dolayısıyla düşük debiler için 0.38 bar değerinde sabit bir basınç kaynağı elde edildi. Yüksek debiler için musluktan gelen su doğrudan kullanıldı. Test düzeneği açık sistem olduğu için metal köpüğü terk eden su çevreye bırakıldı. Basınç kaybı ölçümü için değiştirilen basınç aralıklarına sahip fark basınç ölçüm cihazları kullanıldı. Debi için ise faklı kapasite ve hassasiyetlerde teraziler ve bir kronometre kullanıldı. Yaklaşık 100 lineer basınç gradyeni-hız çifti ölçüldü, tabloya işlendi ve grafikte gösterildi. Gözenekli ortamların bir karakteristiği olan kuadratik eğrinin oluştuğu gözlemlendi. Basınç gradyeni hız ile bölünerek hızın yine yatay eksende olduğu grafikte gösterildi ve farklı bölgelerde farklı eğimlere sahip olduğu görüldü. Bu bölümlerin her birinin ayrı akış bölgelerinin temsil ettiği kabul edildi. Aralardaki geçiş bölgelerinin yanı sıra 4 akış rejimi tespit edildi: Darcy öncesi, Darcy, Forchheimer ve türbülanslı bölgeler. Geçirgenlik ve şekil direnç katsayısı isimli iki önemli gözenekli ortam parametresi Forchheimer denklemi vasıtasıyla her rejim için ayrı ayrı hesaplandı ve bulunan değerlerin birbirinden farklı olduğu gözlemlendi. Hıza bölerek indirgenmiş basınç gradyenleri ve Forchheimer denklemindeki diğer terimler tekrar değiştirilerek boyutsuz hale getirildi ve sürtünme katsayısı Reynolds sayısı cinsinden bir fonksiyon olarak gösterildi. Bu aşamada Reynolds sayısı ve sürtünme katsayısı için geçerli ve doğru olan karakterisik uzunluğun Darcy rejiminde bulunan geçirgenliğin karekökü olduğu gösterildi. Bu fikrin çıkış noktası, Darcy rejiminde akışkanın sürünen akış halinde ilerlemesi ve metal köpüğün iç yapısına dair bilginin ancak bu akış tarafından gösterilebileceğinin düşünülmesidir. Salınımlı akış deneylerinde ileri ve geri periyodik hareket yapan pistonlu bir mekanizma kullanıldı. Çift yönlü çalışan piston ile sistem kapalı hale geldi. Akış, doğası gereği zamana bağlı olduğu için hız ölçümleri zamana bağlı olarak kaydedildi. Atalet etkilerine bağlı olarak ölçüm cihazı ve system arasındaki mesafeden kaynaklanabilecek hataları yok edebilmek için fark basınçölçerler kullanılmadı. Bunun yerine statik basıncı yerinde ölçebilecek basınç transmiterleri kullanıldı. Deneyler 0.116 Hz ve 0.696 Hz arasında eşit aralıklı olarak değişen frekanslar ve üç farklı akış yer değiştirme mesafesinin kombinasyonları ile tamamlandı. Basınç değerleri dijital multimetre ile zamana bağlı olarak kaydedildi, tabloya işlenip grafiklerde gösterildi. İki farklı frekans bölgesi ortaya çıkarıldı. Düşük frekans bölgesinde köpüğün iki ucundaki basınç değerleri birbirilerine zıt olarak değişti. Faka yüksek basınç bölgesinde davranışları paraleldi fakat yine de her durumda harekete sebep olacak bir basınç gradyeni mevcuttu. Salınımlı akışta elde edilen sürtünme faktörleri düz akışa kıyasla daha yüksek bulundu fakat bilyalı yataklara göre daha düşüktü. Düz akışta ısı geçişi deneyleri için köpük duvarı üzerine eksen boyunca 33 adet 4 mm derinliğinde 1 mm çapında delikler delindi. Bu deliklere ısıl yapıştırıcılar ile sabitlenen termoeleman telleri ile duvar sıcaklığı ölçüldü. Debi için ise 20 l/d ölçüm kapasiteli manyetik debimetre kullanıldı. Duvarda sabit ısı akısı sağlamak amacıyla tüm boru yüzeyini kaplayacak bir kelepçe ısıtıcı ve birbirilerine seri bağlanmış iki adet doğru akım üreteci kullanıldı. Köpük giriş ve çıkışında suyun sıcaklığını ölçmek için iki sıcaklık probu üretildi. Bu problar sayesinde akışa dik eksende eşit aralıklı beş noktada sıcaklık ölçümü yapıldı. Suyun yığın sıcaklık dağılımı bu iki probdan alınan ortalama sıcaklıklar ve duvar sıcaklığı dağılımı yardımıyla ölçüldü. Ölçüm yapılan akış hızları Darcy, Forchheimer ve geçiş bölgelerinden seçildi. Her hız için Nusselt sayısı dağılımı duvar sıcaklıkları ve ilgili noktalardaki yığın sıcaklıkları sayesinde bulundu. Sıcaklık ve Nusselt sayısı dağılımları duvar boyunca tabloya işlendi ve grafikte gösterildi. Isıl giriş bölgelerinin yanısıra çıkış bölgeleri de tespit edildi. Isıl giriş uzunlukları ve Nusselt sayıları literatürdeki değerlerle karşılaştırıldı. Darcy rejimindeki ısı geçişlerinde tam gelişmiş bölgedeki Nusselt sayısının, ısıl dengesizlik kabulü altında, literatürdeki değerlere yakın olduğu bulundu. Düz ve kararlı akışta ısı geçişi için hazırlanmış açık düzenek aynı salınım üretecinin bağlanması ile yine kapalı hale getirildi. Benzer frekans ve yer değiştirme değerleri kullanıldı. Çevrim ortalaması alınmış duvar sıcaklığı değerlerinin eksen boyunca simetrik dağılıma sahip olduğu ortaya çıkarıldı. Böylece metal köpük duvarının yalnızca bir yarısının incelenmesinin yeterli olduğuna karar verildi. Nusselt sayısının hesabında, literatürde de karşılaşıldığı gibi giriş sıcaklıkları ve duvar sıcaklıkları kullanıldı. Çevrim ortalaması alınmış duvar sıcaklığı ve Nusselt sayısı dağılımı tablolara işlendi ve grafiklerde gösterildi. Her frekans-yer değiştirme çifti için azami sıcaklık tespit edildi ve yüksek frekans ve değiştirme değerlerinde bu değerin daha düşük olduğu tespit edildi. Ayrıca bu yüksek değerlerde sıcaklıkların duvar boyunca daha düzgün dağılımlı olduğu görüldü. Nusselt sayılarının her konfigürasyon için duvar boyunca da ortalamaları alınarak kinetik Reynolds sayısı cinsinden, yine literatürde olduğu gibi üstel fonksiyon olarak ifade edilebildiği gösterildi. Metal köpük içinde suyun düz akışı ve ısı geçişi, gerçek hacmin dörtte birinin 3 boyutlu olarak modellendi ve ANSYS Fluent isimli ticari akış analizi koduyla çözümlendi. Hidrodinamik analiz sonuçları deney sonuçları ile uyuşuyordu. Bu sebeple, deneysel olarak bulunması oldukça güç olan hidrodinamik giriş uzunluğunun kestirimi yapıldı. Diğer taraftan ısı geçişi sonuçları düşük hızlarda deneysel sonuçlarla benzeşirken yüksek hızlarda deneysel sonuçlardan ıraksamaya başladı. Bu sonucun sebebi Fluent içindeki gözenekli ortam modelinin geleneksel gözenekli ortamlar düşünülerek hazırlanmış olması olarak kabul edilebilir. Salınımlı akış ve ısı geçişi 2 boyutlu olarak modellendi. Bunun sebebi, zamana bağlılık sebebiyle akış alanı hesabı yakınsasa bile sıcaklığın yayılması ve sanki-dengeli hale gelmesi için yüksek işlemci zamanlarının gerekmesiydi. Hidrodinamik sonuçlar deneyle yine benzerlik gösterse de ısı geçişi sonuçlarında deneydeki belirsizlik değerlerini de aşan belirgin farklar vardı. Bu sonuç yukarıdaki sebeple birlikte, salınımdan ötürü oluşması gereken karışmanın mevcut türbülans modelinin yetersizliği sebebiyle bulunamamasına bağlandı.

Özet (Çeviri)

Oscillating flow and heat transfer in porous media is encountered in many engineered systems such as heat pipes, regenerators, Stirling engines, cooling units of nuclear power plants and reciprocating internal combustion engines. Due to substantial heat removal rates, there has been interest in using oscillatory flow in porous media for cooling high-power-density high-speed electronic components, as well. Heat transfer due to oscillating flow in traditional porous media (e.g. packed spheres) has been studied before. Metal (aluminum, copper, etc.) foams are relatively new class of porous materials. They have extremely large surface area density, up to 10000 m2/m3, and very high porosity, around 90%. The shape of cells of metal foams can be regarded as tetrakaidecahedra. Oscillating flow and heat transfer of air in metal foam has also been studied. However, heat transfer due to oscillating flow of water in metal foam has never been studied. In terms of flow and heat transfer in porous media, air and water, as working fluids, are very different: in water, an added momentum and heat transport mechanism called dispersion is important, while it is negligible for air flow. There is also a big difference in the effective thermal conductivity when the porous medium is saturated with air compared to water. This is in addition to the difference in Prandtl number and other thermophysical properties for the two fluids. There is a difference in compressibility between the two fluids and an expected splashing for the case of oscillating water flow. These differences are expected to produce vastly different flow field and temperature distribution in metal foam. In the current study, a 20-ppi (pores per inch) cylinder-shaped aluminum metal foam core with a porosity of 87% was tested under the conditions of steady and oscillating water flow. The core was made of 6101-T6-aluminum alloy and it was brazed into an aluminum tube with the designation code of 6061-T6. The test section was deliberately brazed in order to avoid high thermal contact resistance. Before installing the foam as a test section, the test setup was tested hydrodynamically as a qualification study. The porous media used for this step were packed beds of 1- and 3-mm steel spheres with a cylindrical bulk volume similar to that of the metal foam. All of the porous-media flow regimes reported in literature were found. Therefore the system was proven to reveal not only turbulent flow regime in porous media, but also regimes observed at flow conditions even with the slightest fluid motion, namely pre-Darcy and Darcy regimes. The packed bed was replaced by the metal foam and care was taken so as to prevent any leakage. For steady-state flow experiments, water inlet from an elevated tank and directly from the network were used as constant pressure sources for low and high flow rates, respectively. The system was set to be open rather than a closed loop. For measuring pressure loss, differential pressure sensors with changeable ranges were used. For the flow rate measurements, mass scales with different ranges and accuracies along with a stopwatch were used. A quadratic relation between pressure loss and velocity was observed as expected. The pressure gradients were modified obtain linear curves with slopes varying from zone to zone. These zones with different slopes denoted different regimes. Four different regimes, namely pre-Darcy, Darcy, Forchheimer and turbulent regimes, were identified along with the transitions among them. Two important foam parameters, permeability and form drag coefficient were calculated, and proven to have different values, for each regime. Finally, the already-reduced pressure gradient-velocity couples were modified with the purpose of displaying the relationship between non-dimensional quantities, which were the friction factor and Reynolds number. This step ensured that the square root of the permeability calculated in the Darcy regime was a viable characteristic length for Reynolds number. This idea had been originated from the fact that the flow crept encapsulating the ligaments of the foam and was related well to internal morphology of the foam. The oscillating flow experiments involved the use of a reciprocating mechanism, which also resulted in a closed system. Because the flow was transient in nature, the revolutions of the oscillation-generating mechanism were recorded with respect to time for velocity calculations. Besides, rather than a differential pressure sensor, two pressure transmitters located at both ends of the foam were used to avoid inertia-induced errors. The runs were completed with combinations multiple frequencies and flow displacements. The data was acquired using a data logger. Two frequency zones were identified. In the low frequency zone, the pressures had counteracting behaviors, whereas in the high frequency zone, those values were in parallel, still with a certain pressure difference. In both of the zones, the friction factors were higher than those of the steady-state flows, and lower than those found previously oscillating water flow experiments in packed beds of spheres. For the steady-state heat transfer experiments, holes were drilled along the wall of the foam to measure wall temperatures. Constant heat flux was introduced through the wall. In addition, inlet and outlet water temperatures were measured. The bulk temperatures were calculated using averaged temperatures from these two ends and the wall temperature distribution. The velocities were in Darcy, Forchheimer and transition regimes. Nusselt number for each velocity case was calculated using the corresponding wall and bulk temperatures. In addition to thermal entry lengths, exit lengths were also found. The thermal entry lengths were contrasted to their counterparts in literature as well as the Nusselt numbers. The Nusselt numbers in the fully developed region for Darcy flow matched the analytical solutions extremely well for the thermal non-equilibrium approach. The steady-state heat transfer mechanism was turned into a closed system using the same oscillation generator for the oscillating heat transfer test. The cycle-averaged wall temperature distribution was observed to be symmetric under oscillation. Therefore, only one half of the axial domain was studied. The cycle-averaged Nusselt number and temperature distribution were obtained. It was observed that the temperatures were lower for higher displacements and frequencies. The distribution was also more uniform. Nusselt number was correlated with respect to the kinetic Reynolds number. The steady-state flow and heat transfer were modeled in three dimensions and simulated using ANSYS finite volume tools. The flow results were in good agreement with their experimental counterparts. Therefore numerical approximations were made for hydrodynamic entry length since this value is extremely hard to determine experimentally. The heat transfer results on the other hand exhibited divergence from experimental findings at high velocities. This result was attributed to the fact that the current built-in model was originally for traditional porous media, not high-porosity foam. The oscillating flow and heat transfer were modeled in two dimensions because the propagation of the temperature required an extensive CPU time. The flow results matched the experimental values well. However, there was a significant mismatch of heat transfer results, exceeding the experimental uncertainty. This was a result of the same problem reported above and inadequate mixing due to the current turbulence model in the numerical tools.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    736343

    Gemi kargo tanklarında doğal taşınımla olan ısı geçişinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi

    Numerical and experimental investigation of natural convection heat transfer in ship cargo tanks

    KORAY ŞAHİN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SELMA ERGİN

  2. Tez No

    698448

    Experimental and numerical investigation of single and multiple droplet interactions with high-temperature surfaces

    Yüksek sıcaklığa sahip yüzeylerde tek ve çoklu damlacık etkileşimlerinin deneysel ve sayısal incelenmesi

    AHMET GÜLTEKİN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÜNER ÇOLAK

  3. Tez No

    881944

    Düz ve pürüzlü yüzeylere sahip ani genişleyen kanal içerisindeki ferro-nanoakışkan akışının manyetik alan etkisi altındaki davranışının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi

    Experimental and numerical investigation of ferronanofluid flow behavior under the effect of magnetic field in the sudden expansion tube with smooth and rough surfaces

    EMREHAN GÜRSOY

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    EnerjiKarabük Üniversitesi

    Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ENGİN GEDİK

  4. Tez No

    295383

    Tavandan soğutulan bir hacimde sıcaklık ve nem dağılımının deneysel ve sayısal analizi

    Experimental and numerical investigation of temperature and humidity distribution in an enclosure with chilled ceiling

    DENİZ YILMAZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEYHAN UYGUR ONBAŞIOĞLU

  5. Tez No

    77673

    Östenitik manganlı çeliğin sıcak talaşlı işlemesinde kalem ömrünün teorik ve deneysel olarak araştırılması

    Theoretical and experimental investigation of the tool life used in hot machining of austenitic manganese steel

    LATİF ÖZLER

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Makine MühendisliğiFırat Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALİ İNAN

Geri Dön