An investigation of heat transfer performance of rectangular channel by using vortex generators
Girdap üreticileri kullanarak dikdörtgen kanalın ısı transfer performansının incelenmesi
- Tez No: 496456
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. BAYRAM ÇELİK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 113
Özet
Gelişen teknoloji ile birlikte yüksek performans sağlayan termal sistemlere ihtiyaç artmaktadır. Bu yüzden ısı değiştiriciye ihtiyaç duyulan birçok alanda yüzey alanı diğerlerine göre çok fazla olan kompakt ısı değiştiriciler kullanılıyor. Yüzey alanının artması ısı transfer alanının artmasını, bu da ısı transfer katsayısını arttırıp daha verimli bir ısı değiştirici performansı ortaya çıkmasını sağlıyor. Kompakt ısı değiştiricilerde ısı transfer performansını arttırmak için genelde iki yoldan biri tercih ediliyor. Birincisi akışkanın temas ettiği yüzey alanine kanatçık kullanarak arttırmak, diğeri ise girdap jeneratörü kullanarak katı yüzey ile akışkan arasındaki ısı transfer katsayısını arttırmak. Bu çalışmadaki probleme yaklaşım, ikincil akışın yoğunluğunu arttırarak, kanal içinde ısı transfer katsayısını arttırmaktır. CFU-CFD gibi yeni kullanılmaya başlanıp termal performansının çok iyi olduğu gözlemlendiği girdap jeneratörlerinin analizi bu çalışmada yapılmıştır. Çift sayısı ve hücum açısı şekillenmesi ile toplamda 32 farklı durum ortaya çıkmıştır. 2li ve 3lü çiftlerin yanında 15°, 30°, 45° ve 60° hücum açıları ile beraber CFU ve CFD girdap üreticilerinin ısı transfer ve basınç kayıpları gözlemlenmiştir.Girdap jeneratörü olarak da dikdörtgen yapı seçilmiştir. Dikdörtgen kanal içinde sadece açılar değişmek koşuluyla 8 farklı durum orataya çıkmıştır. Anlatımı kolaylaştırmak için her bir duruma numara verilerek ayrı ayrı incelenmesi yapılmıştır. İnceleme kriterleri ısı artım faktörü, basınç düşüşü ve vortisitedeki değişimdir. Hesaplanan değerler literatürdeki örnekleriyle karşılaştırılmış ve doğrulanmıştır. 1. durumda 2 CFD girdap üretici çiftinden oluşan kanal incelenmiştir. Yapılan analiz sonuçlarına göre ısı transfer katsayısındaki artışın en fazla olduğu açı %42.29 artış oranı ile 30°, en optimum Reynolds sayısının da 1552 olduğu görülmüştür. Bu konfigürasyonda ortalama ısı transfer katsayısı artışı ise 33.91% olarak gözlenlenmiştir. Öte yandan basınç düşüşünün 15° lik girdap üreticili durumda en fazla olduğu gözlemlenmiştir. Maximum basınç kaybı oranı %115.24 ile Reynolds'un 1552 olduğu durumda meydana gelmiştir. 2.durumda CFD-CFU konfigürasyonu ele alınmıştır.1. durumdaki gibi maximum ısı transfer katsayısındaki artış Reynolds'un 1552 olduğu durumda görülmüştür.Fakat ısı transfer artışındaki oranın en fazla olduğu açı 15° olarak hesaplanmıştır. Bu durumdaki ortalama ısı transfer artış oranı %30.08 olarak gözlemlenmiştir. Basınçtaki düşüşün en fazla olduğu açı 15°, Reynolds da 1552 iken bulunmuştur.Basınç kaybındaki oran baz duruma göre %123.79 artmıştır. 3.durumda CFU-CFD konfigürasyonu test edilmiştir. Isı transfer katsayısındaki en fazla artış bu sefer Reynolds'un 776, girdap üreticisinin 15°lik açıda olduğu durumda meydana gelmiştir. Bu durumdaki artış %51.91dir. Ortalama ısı transfer katsayısı artışı ise %32.37 olarak hesaplanmıştır. Basınç kaybındaki oranın ise %118.78 mertebelerine çıktığı görülmüştür. Vortisite değerinin baz duruma göre 2.6 kat arttığı görülmüştür. 4.durumda 2 CFU girdap üretici çiftinden oluşan konfigürasyonun değerlendirilmesi yapılmıştır. Ortalama ısı transfer katsayısındaki artışın %34.95 olduğu görülmüştür. Aynı durumda basınç kaybındaki oranın ise %133.83'e kadar çıktığı görülmüştür. Vortisite değerindeki artışın en az olduğu konfigürasyon 4. durum olarak hesaplanmıştır. Vortisitedeki artış baz duruma göre 2.16 kat daha fazladır. 5.durumda 3 çift CFD girdap üreticisinden meydana gelen durum değerlendirilmiştir. Isı transfer katsayısındaki en fazla artışın %92.23 ile 30°lik konfigürasyonda ve Reynolds'un 1552 olduğu durumda gözlemlenmiştir. Ortalama ısı transfer katsayısının %50.62ye çıktığı görülmüştür. Basınç kaybındaki oran da 2 çiftli duruma göre daha daha fazla artmıştır. Bu beklenen bir durumdur çünkü; akışın engellendiği girdap üreticisi sayısı artmıştır. Maximum artış girdap üretici açısının 15°, Reynolds'un 1552 olduğu durumda meydana gelmiştir. Bu durumdaki basınç kaybı değeri baz duruma göre %147.14 artmıştır. Fakat vortisite performansının en fazla olduğu konfigürasyon olarak da görülmüştür. Vortisite değeri baz duruma göre 2.72 kat artmıştır. Artışın en fazla olduğu durum 30°lik açıda ve Reynolds 1552 iken meydana gelmiştir. 6. durumda CFD-CFU-CFD konfigürasyonu ele alınmıştır. Isı transfer katsayısındaki artışın en fazla olduğu durum 15°lik açıda Reynolds 1552 iken %60.24 ile görülmüştür. Isı transfer katsayısındaki ortalama artış ise %39.30 olarak hesaplanmıştır. Maximum basınç kaybı ise %156.48 mertebesine ulaşmıştır. Beklendiği gibi 15°lik açıda kayıp en fazla olmuştur. Vortisitedeki artış 2.6 kat olarak görülmüştür. 7.durumda CFU-CFD-CFU konfigürasyonunun analizi yapılmıştır. Isı transfer katsayısındaki artışın en fazla olduğu durum 15°lik açıda Reynolds 1552 iken %67.15 olarak ölçülmüştür. Ortalama artış ise %42.20 olarak hesaplanmıştır. Basınç kaybındaki artış ise %174 seviyelerine yükselmiştir. Vortisitedeki artış baz duruma göre 2.6 kat daha fazladır. 8.durumda 3 çift CFU konfigürasyonu incelenmiştir. Isı transfer katsayısındaki maximum artışın %81.65 ile 30°lik konfigürasyonda oluştuğu saptanmıştır. Bu durumda ısı transfer katsayısındaki ortalama artış %47.77 olarak hesaplanmıştır. Basınç kaybındaki oran ise bu durumda maximum seviyeye ulaşmıştır. Basınç kaybındaki artış baz duruma göre %200 seviyelerine kadar çıkmıştır. Vortisitedeki artış ise baz duruma göre 2.64 kat daha fazladır. Isı artım faktörü, basınç kaybı ve vortisitedeki artış tek tek ele alınarak en büyük değerden en küçüğe aşağıdaki gibi sıralanabilir: Tablo 1.Isı artım faktörü Case IV > Case I > Case III > Case V > Case II > Case VII > Case VI > Case VIII Tablo 2.Basınç kaybı Case VIII > Case V > Case VII > Case VI > Case II > Case IV > Case I > Case III Tablo 3.Vortisite Case V > Case VIII > Case VII > Case VI > Case III > Case I > Case II > Case IV 8 akış konfigürasyonu, 4 girdap üretici açısı ve 5 farklı Reynolds sayısı ölçümleri ile toplamda 160 durum Pointwise 17'de çözüm ağına kavuşup, ANSYS Fluent 16'da koşturulmuştur. 160 koşu ile birlikte hesaplanan Nu ve f faktör değerleri için objektif fonksiyonlar belirlenmiştir. Koşu sonucu bulunan nümerik değerler ile objektif fonksiyon sonucu çıkan değerler birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Yapılan hata analizi sonuçlarına göre Nu için ortalama hata oranı %9.71, f faktör içinse %10.89 bulunmuştur. Hesaplamalarla ilgili ayrıntılı tablo Appendix A ve B'de verilmiştir. Analiz sonuçlarına göre girdap üreticilerinin ısı transfer katsayısında önemli bir rol oynadığı görülmüştür.2li ve 3lü girdap üretici çiftler karşılaştırıldığında, beklendiği gibi 3lü çiftlerin ısı transfer oranını daha fazla arttırdığı görülmüştür. Fakat basınç düşüşündeki artış da bu çiftlerde daha fazladır. Isı transfer katsayısındaki en fazla artış Reynolds'un 1500 mertebelerinde seyrettiği durumda oluşurken, basınç kaybındaki artış da aynı Reynolds seviyesinde gerçekleştiği için bu seviyede etkili bir ısı artırım faktörü elde edilememiştir. Isı artırım faktörünün en iyi olduğu durum ise Reynols'un 4000 mertebesinde, basınç kaybının en düşük olduğu konfigürasyonlarda ortaya çıktığı görülmüştür. 4.durumda 60° lik girdap üreticili konfigürasyon ısı artım faktörü için en iyi tasarımken, 8.durum 15°lik girdap üreticili konfigürasyon ise en kötü tasarımdır. Vortisitenin maximum olduğu Reynolds'ta ve girdap üreticili açıda ısı transfer katsayısının da maximum olduğu görülmüştür. Buradan vortisite ile ısı transfer katsayısı arasında doğrudan bir bağlantı olduğu sonucuna varılmıştır.
Özet (Çeviri)
The need of high performance of thermal systems in many engineering applications has increased. The convectional heat exchangers are generally improved by surface augmentation. There are two enhancement techniques of convective heat transfer for compact heat exchangers. One is to extend heat transfer surface area like a fin, the other is to increase heat transfer coefficient between solid surface and fluid such as using turbulators as vortex generators. Solution to this problem in this study is to increase the intensity of secondary flow and reduce the size of wake regions in rectangular channel so as to increase heat transfer coefficient to gain size and effectiveness. In this study a new type of vortex generator pairs which are called common-flow-up (CFU) and common-flow-down (CFD) and their various configurations in terms of number of pairs and attack angle was reported. Rectangular winglet pairs (RWP) of vortex generator has been selected. One rectangular channel of an air to air plate-fin cross flow compact heat exchanger has been analyzed. Before calculation process, detailed literature survey has been done about aviation application of heat transfer enhancement of plate-fin heat exchanger. Geometrical dimensions has been originated from F-16 heat exchanger and similar cross section area has been drawn. Solution approach to problem has been selected from validated benchmark problem. Boundary conditions have been applied according to TAI specification of ECS model. Model was prepared and meshed in Pointwise and computational fluid dynamics analysis was performed in ANSYS Fluent 16. In rectangular channel, three configurations have been analyzed; CFD, CFU, and mix type (both CFD and CFU) with the number of 2 and 3 pairs by applying four different attack angle (15°, 30°, 45°, and 60°). The height of the vortex generator which is also called blockage ratio (BR) was half of the channel height. 3D computational fluid dynamics results showed that 3 pairs of CFD configuration of 30° and 45° winglet angle of attack provides the best heat transfer enhancement in the channel. At the same configuration 60° attack angle of pairs give the best thermal enhancement factor at Re = 4000. Overall results demonstrated that wings angle of attack play an important role in determining heat transfer performance.
Benzer Tezler
- Mikro kanallı ısı emicilerin sayısal olarak incelenmesi ve optimizasyonu
Numerical investigation and optimization of micro channel heat sink
HALUK ANIL KÖSE
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SERTAÇ ÇADIRCI
- Investigation of flow characteristics and heat transfer performance in heat exchangers with magnetic field effect
Manyetik alan etkisiyle ısı eşanjörlerinde akış karakteristiklerinin ve ısı transferi performansının incelenmesi
SERGEN TÜMSE
Doktora
İngilizce
2023
Makine MühendisliğiÇukurova ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BEŞİR ŞAHİN
- Farklı geometrideki çukurlu yüzeylerin ısı transferi ve akış özelliklerine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of pitted surfaces indifferent geometry on heat transfer and flowproperties
SUNA KOPUZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
EnerjiSakarya ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ELİF EKER KAHVECİ
- Numerical investigation of pumping power minimization for coolant circulation in sinusoidal channels
Sinüzoidal soğutma kanallarındaki soğutucu sirkülasyonu için pompa gücü minimizasyonunun sayısal incelenmesi
ALİ AKÇA
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Enerjiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüEnerji Mühendisliği (Enerji ve Güç Sistemleri) Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ÜNVER ÖZKOL
- Doğal dolaşımlı, kendinden depolu güneş toplayıcısının ısıl analizi
The Thermal analysis of a novel built-in-stroge solar water heater
İ.NECMİ KAPTAN