Effect of aspect ratio on heat transfer and entropy generation in a wavy microchannel
Kanal boy oranının dalgalı mikrokanalda ısı transferine ve entropi üretimine etkisi
- Tez No: 445045
- Danışmanlar: PROF. DR. LÜTFULLAH KUDDUSİ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 125
Özet
Mikrokanallarda akışkan akışı ve ısı transferi üzerine araştırmaların yoğunlaşması elektronik cihazların minyatürleşmesinden dolayı ilgi odağı haline gelmiştir. Yüksek ısı akısı ile bileşenler için etkin ısı değişimi teknikleri ihtiyacı mikrokanallar'ın yüksek ısı transferi üzerine yoğunlaşmıştır. Mikrokanallar, çeşitli bilimsel ve mühendislik uygulamalarında kullanılmaktadır. Yaygın olarak mikro eşanjörler, karıştırıcılar, pompalar, türbinler, sensörler ve aktüatörler gibi mikro-elektro mekanik sistemlerde (MEMS) ve tıbbi uygulama potansiyellerine sahiptirler. Mikroölçek ısı transferi, elektronik aygıtların boyutlarının küçülmesinden dolayı birim alan başına düşen ısı artışlarında daha da ilgi odağı haline gelmektedir. Bu aygıtların performansları direkt olarak ısı ile alakalıdır bu yüzden ısıyı belirli limitlerde tutmak kritik öneme sahiptir. Elektronik sistemlerde sıklık ve performans artışı, birim alandan daha fazla ısı atılması gerektirdiğinden,ısı transferinde ciddi problemlere neden olmaktadır. Mikrokanal araştırmalarındaki ortak görüş, etkin soğutma tekniklerinin keşfedilip uygulanması gerektiğidir. Bu bağlamda, bilim adamları geçen yüzyıldan beri, yeni kanal konfigürasyonlarından faydalanma ya da akışkan temelinde gereksinimleri karşılayan etkin teknikler geliştirerek bu problemlerin giderilmesi için büyük çaba sarf etmektedirler. Bu tez çalışmasında, ilk olarak süreklilik, momentum ve enerji denklemleri, düz kanaldan dalgalı kanala geçiş yapılarak gerçek şartlara benzer karışımın sıcaklık ve hız profili su ve gliserin karışımı kullanılarak çözüldü. Daha sonra dalgalı kanalın periodik kısmının giriş sınırına aktarma yapıldı. Su ve gliserin karışımının mikrokanal içindeki akışı incelenirken, vizkozite,yoğunluk, ısıl iletkenlik ve özgül ısı değerleri referans değerler olarak kullanılmıştır.Daha sonra bu değişkenler Prandtl sayısının 137 olarak bulunmasını sağlamıştır. Ayrıklaştırma için Ansys Workbench Meshing Modulü kullanılmış olup, bütün alan hesaplamanın temeli olan sonlu hacimlere bölünmüştür.Nümerik difüzyon hatalarının minumuma indirebilmek için altıgen elementler kullanılmıştır.Başlangıçta mikrokanalın enine kesidi dikdörtgen mesh kullanılarak 2 boyutlu olarak meshlenmiştir.Daha sonra Sweep methodu ile bütün alan meshlere ayrılmıştır. Literatürde farklı ısıl sınır koşulları kullanılmaktadır ve en önemli ve en fazla kullanılan ısıl sınır koşulları H1, H2 ve T den ibarettir. T ısıl sınır koşulunda duvar sıcaklığı kanal boyunca eksenel ve çevresel olarak sabittir. H1 sınır koşulunda ise kanal boyunca eksenel yönde duvara sabit ısı transferi verilmektedir ve herhangi bir kesitte sabit duvar sıcaklığı olmaktadır. H2 sınır koşulunda eksenel ve çevresel yönde kanal boyunca duvara sabit ısı akısı söz konusudur. Bu tezde 3 ısıl sınır koşulları arasında T sınır koşulu kanalın çevre duvarlar seçilmektedir üst duvar haric ki yalıtımlı duvar göze alınmıştır kanal üretim şartlarının nedeniyle. Bunu takiben, Ansys Fluent kullanılarak çeşitli akışları içeren parametleri Poiseuille sayısı , Nusselt sayısı ve entropi değişim parametlerini değerlendirmek için sıcaklık ve hız dönüşümünü hesaplanmışıtır. Bu sonuçlar taşınımla ısı transferi için büyük önem taşıyan fRe , Nusselt gibi paremetrelerin hesaplanmasında kullanılmıştır. Bu yöntem değişik boy oranı için tekrarlanmış ve boy oranının ısı transferrin kapasitesine etkisi incelenmiştir. Daha sonra fRe sayısı kanalın boy oranı değişiminin basınç düşümüne etkisini incelemek için kullanılmıştır. Mikrokanalın performansı bulunurken İkinci Yasa Yaklaşımından faydalanılmış, entropi üretimi ve ilgili diğer veriler hesaplanmıştır. Entropi üretimi hesaplanırken Ansys Fluentin Custom field functionı kullanılmıştır. Entropi üretimi değişik yönlerdeki hız ve sıcaklık gradyenlerine bağlıdır.Bu terimleri fluentin default ayarlarında mevcut değildir.Bu terimleri hesaplayabilmek için Text user interface capability of Ansys kullanılmıştır. Bu aşamada fluentin uzman moduna dönülmüştür. Uzman modunda bütün gradyen terimleri tutulmaktadır. Uzman modunda sıcaklık gradyani, hız gradyani gibi ulaşılabilir değildir. Bunun için enerjinin korunumu kanunu, sıcaklık gradyanına ulaşmak amacıyla bir kaç iterasyon ile uygulanmıştır. Ama, bu artış basınç kayıplarının ve entropi üretiminin artmasına neden olur. Entropi üretiminin artmasının nedeni genelikle sıcaklık ve hız gradyanı artmasına bağlıdır. Ayrıca, Reynolds sayısı arttıkça Nusselt sayısı da artış gösterir.Bu lineer olmayan artış Reynolds sayısı arttıkça daha hızlı artar.Daha güçlü Dean vorteksin oluşma nedeni Reynolds sayısındaki bu artışla alakalıdır. Diğer bir değişle, akıştaki basınç dengesizliklerinden meydana gelen ters dönüşlü vorteksler, akışın duvarlardan yaptığı ısı transferinin artmasına neden olmaktadır. Ancak bu ters dönüşlü vorteksler basınç düşümünü negatif etkilemektedir. Ana akım çizgisine dik olan bu vorteksler akışın normal gelişimine engel olmaktadır.Dean vortekslerin iyileştirilmesiyle daha yüksek basınç düşümü elde edilmiştir. Bu eğilim fRe sayısının Reynolds sayısıyla değişimiyle gözlenebilir. Ayrıca, kanalın boy oranı arttıkça Dean vortekse bağlı olarak oluşan basınç düşümü artış göstermektedir. Kanalın boy oranının artması, ana akım çizgilerine olumsuz etki eden ikincil hızların artmasına neden olur.Custom field function ile hesaplanan entropi üretim oranı, Reynolds sayısının artmasıyla artış gösterir. Bu artış kanalın çerçeve oranının artmasıyla daha hızlı artış gösterir. Bunun olma nedeni, kanalın boy oranının artmasıyla hız bileşenlerinin de artması ve bunun sonucu olarak hız gradyeninin daha kuvvetli hale gelmesidir. Isı transferi ile entropi üretim oranı arasında lineer bir ilişki bulunmasına ragmen,akışın sürtünmesi ile entropi üretim oranı arasında lineer olmayan bir artış ilişkisi vardır. Son olarak, ısı transferinin entropi üretim oranına etkisini gösteren boyutsuz Bejan sayısı, bu çalışmada incelenmiştir. Esas entropi üretim oranının, ısıtılmış duvara yakın bölgelerde olduğunu göstermişlerdir. Ayrıca Bejan sayısı, entropi üretim oranının kanalın çekirdeğinde gelişme gösterdiğini göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Interest with respect to research on the fluid flow and heat transfer in microchannels is partly driven by miniaturization of electronic devices. The need for efficient heat exchange techniques for components with high heat flux concentrated attention on the heat transfer features of microchannels. Microchannels are utilized in variety of engineering and scientific applications. While, the most commonly utilization of them are located in the realm of medical applications and in micro-electro-mechanical systems (MEMS) such as micro heat exchangers, mixers, pumps, turbines, sensors and actuators. Microscale heat transfer gained more interest as the size of the devices decreases, specifically in electronic devices, since the amount of heat that are required to be dissipated per unit area increases.; And it is critical issue to keep the temperature within certain limits because of the fact that their performance is directly related to the temperature. The trend of tune-up performance and compactness of electronic systems can lead to serious problem in heat transfer, since large amount of heat per unit area must be dissipated. Great deals of research about microchannels are being carried out to discover the effective cooling technique. In this respect, For more than a century scientists have made great efforts to develop corresponding efficient techniques such as utilization of milli- and micro-sized particles in base fluids or utilization of novel channel configurations meet these requirements. In this thesis, initially continuity, momentum and energy conservation equations are solved for mixture of water and glycerin in straight channel to export the temperature and velocity profile of mixture similar to the real condition at the inlet of wavy channel. Then it is mapped to the inlet of periodic part of serpentine channel. After that, Customized capability embedded in Ansys Fluent custom field function at expert mode's configuration has been utilized to calculate temperature and velocity gradient requiring to evaluate entropy generation terms involving various gradients. In other words, all calculations are evaluated for hydrodynamically fully developed flow under thermal boundary conditions combined of Insulation related to the upper surface of channel and constant wall temperature boundary conditions related to condition that channel submerged within fixed temperature liquid. The performance of channels mainly has been investigated with respect to variation of channel aspect ratio, which is important factor in construction stage. The evaluation of results reveal the fact that the increase of channel aspect ratio results in great enhancement on the Nusselt number corresponding to the great heat transfer improvement. Meanwhile, the channel experiences an increase of pressure losses and entropy generation due to the increase of temperature gradient.
Benzer Tezler
- Scaling-up eutectic freeze crystallization
Ötektik donma kristalizasyonunda boyut büyütme
FATMA ELİF GENCELİ
Doktora
İngilizce
2008
Kimya MühendisliğiTechnische Universiteit Delft (Delft University of Technology)PROF. DR. GEERT JAN WITKAMP
- Improving the thermal conductivity of fiber-reinforced concrete panels for exterior facades with phase change materials
Diş cepheler için elyaf takviyeli beton panellerin ısı ı̇letkenliğinin faz değiştiren malzemelerle ı̇yileştirilmesi
YALDA SAFARALIPOUR
Doktora
İngilizce
2023
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ERKAN KARAGÜLER
- Single–phase flow and flow boiling of water in rectangular metallic microchannels
Başlık çevirisi yok
MEHMED RAFET ÖZDEMİR
- Üzerinde ısı kaynakları bulunduran bir kavite içerisindeki ısı geçişinin incelenmesi
Investigation of heat transfer inside a cavity having heat sources
HAKAN KARATAŞ
Doktora
Türkçe
2017
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ TANER DERBENTLİ
- Investigation of flow characteristics and heat transfer enhancement of various duct geometries
Çeşitli kanal geometrilerinde akış karakteristiklerinin ve ısı tranferi iyileştirilmesinin incelenmesi
NEHİR TOKGÖZ
Doktora
İngilizce
2014
Makine MühendisliğiÇukurova ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BEŞİR ŞAHİN