The numerical evaluation of jet impingement effectiveness in a bottom of confined cavity
Duvarla sınırlandırılmış bir kavite tabanında jet çarptırmalı soğutma etkenliğinin sayısal olarak incelenmesi
- Tez No: 507188
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. MURAT ÇAKAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 87
Özet
Günümüz dünyasında küçük boyutlarda jetin çarptırmalı soğutma etkinliği üzerine birçok çalışma yapılmaktadır. Mevcudiyette olan çalışmaların yanında da bu konu üzerindeki gerek çalışma gerekse de kullanım alanı olarak yoğunlaşma günden güne artmaktadır. Bunun altında günümüzde kullanılan uygulamaların dizaynının ergonomi arttırımı kapsamında gittikçe küçüldüğü gerçeği yatmaktadır. Giriş paragrafında da bahsedildiği üzere günümüz endüstrisinde küçük boyutlarda jet çarptırmalı soğutma uygulamasının yüksek kütle ve ısı transferi kapasitesi ve küçük uygulamalara yatkınlığından ötürü geniş bir kullanım alanı mevcuttur. Bu alanların nereleri olduğundan bahsedecek olursak; kullanım alanları kurutma, soğutma ve ısıtma olmak üzere üç ana başlıkta toplanabilir. Bu alanlar içinden en yaygın olanı ise hiç kuşkusuz jet akışı soğutma kabiliyetinden ötürü kullanan alanlardır. Soğutma kabiliyeti de kullanım yerine göre kendi içinde koruma ve üretim alanları olarak ikiye ayrılmaktadır. Örnek olarak, çok yüksek sıcaklıklarda çalışan içten yanmalı, jet motorları, ağır sanayideki bazı uygulamalar (torna,freze vs.), elektronik sistemler daha yüksek performanslara erişebilmek ve oluştuğu parçaların dayanım limitleri için etkili bir soğutma sistemine ihtiyaç duymaktadır. Bu uygulamalar jet soğutmanın koruma alanlarındandır. Jet soğutmanın üretim teknolojilerinde kullanılma alanına dönersek, temperli cam, camın ergime sıcaklığına kadar ısıtılıp ani olarak soğutulması ile elde edilmektedir buradaki hızlı ve etkili soğutma, jetin soğutma kabiliyeti ile yapılmaktadır. Yani jet hızlı soğutmaya sebep olarak üretim tekniğinde bir adım olmaktadır. Jet akışın soğutma özelliğinin yanında birkaç alanda da ısıtma kabiliyetinden de yararlanılmaktadır. Bir örnek olarak, bazı ürünlerin saklandıkları depolarda sağlıklı kalabilmesi için gerekli olan minimum sıcaklık limitinin altına düştükleri, bunun önüne geçmek için de çözüm önerisi olarak jet akışların belirlenen mimimum sıcaklıklarda devreye girerek ürünlerin sıcaklıklarını yükseltmesi gösterilebilir. Jet soğutma uygulamalarının revaçta olduğu ile bağlantılı olarak, jetin hangi şartlar altında en iyi soğutmayı yapabileceği üzerine dizayn çalışmaları da önem kazanmıştır. Bilinçsiz şekilde yapılan dizaynlar ve uygulamalar hem ücret hem de verim kaybına yol açmaktadır. Bu gibi durumları önlemek için bu çalışmada en iyi jet soğutma koşullarını ve dizayn şemasını anlatılmıştır. Bu çalışmada küçük boyutlardaki jetin çarptırmalı soğutma uygulamasının hedef plaka üzerindeki zamana bağlı ısı transfer karakteristiği incelenmektedir. Çalışmada hava soğutması kullanılmış olup havanın jete giriş sıcaklığı sabit 283°K alınmıştır. Bunun yanında soğutmanın istendiği hedef plakanın sıcaklığı da başlangıç koşulu olarak 293°K kabul edilmiştir. Isı transfer karakteristiği saptanması kapsamında akış türü, jet ile hedef tabaka arası uzaklık, hedef tabakanın eğimi ve akış jetten çıkış yaptıktan sonraki doğrultusuna engel konulması olarak dört başlık altında çalışmalar yapılmıştır. Bu başlıkların detayına inersek, incelenen ilk faktör 3,3300 ve 6,660 olarak hesaplanan Reynolds sayısı ile elde ettiğimiz akış karakteristiği etkisidir. Bilindiği gibi Reynolds sayısı akışkanın jete giriş hızı, akışkanın girdiği kesitin çap değeri ve akışkanın giriş sıcaklığındaki kinematik akmazlık değeri ile doğrudan ilgilidir. Bu çalışmada Reynolds sayısının değeri enjektöre giren havanın sabit sıcaklık ve çap değeri olduğundan ötürü havanın giriş hızının değişmesi (5-10 m/s) ile farklılık göstermektedir. İkinci faktör, dairesel jet ile hedef plaka arasındaki uzaklığın (H), havanın girdiği enjektör çapına (D) oranı (H/D) yani dolaylı olarak jet ile hedef plaka arasındaki uzaklık etkisidir. Sabit enjektör çapında (10 mm), jetin plakaya uzaklığı değiştirilerek (10,50,100 mm) üç farklı oran (1,5,10) incelenmiştir. Üçüncü faktör olarak soğutulmasını istediğimiz hedef plakanın eğiminin (0°,10°,20°) soğutma profiline etkisi gözlenmiştir. Son olarak incelenen konu ise akış üzerine yerleştirilen bir engelin hedef plaka soğutma profili üzerine etkisi olmuştur. Çalışmada kullanılan mesh tiplerine değinirsek, yapısal ve yapısal olmayan olmak üzere iki farklı mesh türü kullanılmıştır. Eğim olmayan geometrilerde düzenli olduğundan ötürü yapısal ve kare mesh kullanılırken eğimli geometrilerde düzensiz olan eğimli kısımlar yapısal olmayan ve üçgen mesh uygulamasına tabii tutulmuştur. Uygun mesh sonrası tüm simulasyonlarda standart duvar fonksiyonu k-e türbülans modeli kullanılmıştır. Uygun modelin kullanılıp kullanılmadığı doğrulaması için standart duvar fonksiyonu k-e, gerçeklenir k-e, kayma gerilmesi k-w türbülans modelleri ile bir uygulamada karşılaştırma yapılmış ve çıkan sonuçlar arasında küçük farkların olduğu görülmüştür. Bundan dolayı standart duvar fonksiyonu ile çözüme devam edilmiştir. Ayrıca tüm simulasyonlar iki boyutlu ve zamana bağlı olarak çözülmüştür. Çözüm için gerekli koşullar sağlandıktan sonra bahsettiğimiz etkenler değiştirilerek toplamda yirmi civarında dizayn konfigurasyonu koşulmuştur. Bu testlerin sonucuna göre bazı çıkarımlar edinilmiştir. İlk çıkarım, Reynolds sayısının artması, hedef plaka soğuma profili üzerinde olumlu etki göstermiştir. Bu sebepten yola çıkarak daha soğuk bir tabaka için Reynolds sayısını arttıracak bütün aksiyonlar yani jet enjektörüne giren havanın hızının ve havanın girdiği enjektör çapının arttırılması örnek olarak uygulanmalıdır. Reynolds sayısı ile ısı geçişi kapasitesi doğru orantılı olduğundan bu sonuç olağandır. İkinci çıkarım, jetin soğutulması istenen hedef plakaya yaklaştırılması diğer bir deyişle jet ile hedef plaka arasındaki mesafenin azalması hedef plakanın daha soğuk sıcaklıklara gelmesine sebep olmuştur. Bundan ve akışın çarpan etkisinin fazla olmasından dolayı jetin hedef tabakaya olabildiğince yakınlaştırılması soğutma verimini yukarıya çıkaracaktır. Üçüncü çıkarım ise jetin soğutma etki performansının eğimli yüzeylerde daha zayıf olduğudur. Bunun nedeni, akışın düzgün dağılmamasından dolayı jet çıkışındaki hava ile hedef plaka arasındaki ısı transferinin kötü olmasıdır. Bu doğrultuda ek olarak eğimli yüzeylerdeki eğime bağlı basınç ve sıcaklık dağılımı da ayrıca incelenmiştir. Bahsettiğimiz soğutma profilini iyileştiren üç etken aynı zamanda hızlı soğuma zamanlaması performanlarını da daha iyi noktalara getirmektedir. Son etki olarak incelenen akış yönüne engel konulması da soğutma profiline olumlu katkı yapmıştır. Bu katkının aksine yöntemin, soğutma zamanlaması olarak engel akışın doğrudan etkisine kötü yönde etki ettiği için uygun olmadığı görüşmüştür. Sonuç olarak, jet ile hedef plaka arasındaki mesafenin olabildiğince kısaltılması yani jetin hedef plakaya yakın etki ettirilmesi, akışın Reynolds sayısını arttrıcı aksiyonlar alınması, soğutulacak hedef plakanın eğimli olmaması ve akış yönüne konulacak engel soğutma konfigurasyonu olarak en uygun seçim olarak belirlenmiştir. Yapılacak dizaynların ve ortam şartlarının bu doğrultuda seçilmesi hem maliyet hem de verime olumlu katkıda bulunacaktır.
Özet (Çeviri)
There are many studies released about small air jet impingement in today's world and the number of studies and usage areas have been increasing in this direction day by day. Because the size of design of applications are becoming smaller due to ergonomic requirements. There are widely small jet usage area available in the industry in connection with their mass and heat transfer capability and being package friendly. To mention about where they are used; they can be collected under three title. They are drying, cooling and heating. The most common area is the area which is using cooling ability of jet nozzle. In this direction, cooling ability can be divided into two topics as protection and production skill. For example, internal combustion engines, jet engines and some applications in heavy industry (CNC turning, milling etc.), electronic systems require efficient cooling systems to reach better performance and prevent hardware failure. These usage areas use protection skills of jet nozzle. To give an example, obtaining tempered glass method is populer in using production method of jet nozzle. Because, the procedure of production of tempered glass need quick cooling after it gets its melting temperature. The jet nozzle is used due to its heating ability as well. Some products are desired high temperature to stay healthy. However, the storage areas of the products may not have the necessities about temperature. For this reason, jet nozzle heating method is finding a solution to avoid it. Associated with ever growing usage areas of jet nozzle, the design of jet nozzle is becoming important role to get higher effectiveness. The unconscious applications can cause cost and efficiency reduction. In this study, the best design schematic is being tried to find to prevent it. This study is related to time dependance heat transfer characteristics of small jet impingement under variety condition of flow type, the distance between the jet and the bottom wall, the inclination of bottom wall and the blockage effect on the way of flow line on the bottom cavity (293°K). To mention in details with pointing out using air as refrigerant, the first factor is flow characteristic related different Reynolds number (Re) changes in two values of 3,300 to 6,600 which are affected directly from diameter, inlet velocity of circular jet nozzle and kinematic viscosity of air in this inlet temperature (283°K). The second one is to see effect of distance between circular jet and the bottom wall (H) and constant nozzle diameter with 10 mm (D) (H/D) as three different ratio of 1, 5, 10. The third one is the tilt angle of bottom wall which is nearly the first contact with the jet flow with variance of 0, 10 and 20 degrees. The last one is using circular blockage over flow area. Unstructured and structured mesh type are used by looking inclination availability. If the geometry has zero inclination, structured and quadriteral mesh is used. Otherwise, unstructured and triangle mesh is applied at inclined zones. Standart wall function k-e turbulent model is performed all of the simulations. For the validation, standart wall function k-e, realizable k-e and SST k-w turbulent model are compared with one simulation. It is seen that the results are close to each other so it is not problem to continue with standart wall function k-e turbulent model. Lastly, the solution is run by using 2-D and transient method. Totally there are about twenty configurations simulated in the study by changing inputs which have mentioned before. As a consequence of these tests, the first deduction is to impinge the air with as fast as possible to the taget surface since the heat transfer on the surface has directly relationship with Reynolds number namely inlet velocity. Another method of getting increased Reynolds number might be widen diameter of jet nozzle. It also causes efficient heat transfer. The second deduction is to pull the jet nozzle over the surface which is desired to cool, in another saying reduce the distance between the jet nozzle and the effected plate since the effect of air has improved in this case. The third inference is applying inclination has poor effect on the heat transfer between air exit from jet nozzle and the target plate due to nonuniform flow distribution. All these inputs lead quick cooling as well besides increased cooling profile. The last inference is setting blockage on the flow line can be used for increasing head transfer capability but it does not work for increasing cooling acceleration. In conclusion, the lower distance between target plate and jet nozzle, the more Reynolds number, the less inclination and using blockage on the flow line is the best configuration to increase cooling and heat transfer capacity on the confined cavity.
Benzer Tezler
- Otomotiv ön cam buz çözme performansının sayısal olarak modellenmesi ve buzun erimesine etki eden parametrelerin irdelenmesi
Numerical modeling of windshield de-icing performance and parametric evaluation of ice melting process
SERHAN TATAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
- Çarpmalı jet ve rib kullanımının kanal yüzeyindeki soğutma performansına etkilerinin araştırılması
Investigating the effect of impinging jet and rib usage on the cooling performance of the channel surface
ORHAN YALÇINKAYA
- Heat and fluid flow in microscale from micro and nano structured surfaces
Mikro ve nano yapılı yüzeylerden mikro boyutta ısı ve sıvı akışı
TÜRKER İZCİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ KOŞAR
- Çoklu jet vurdurmalı ısı transferi sistemi tasarımı ve nümerik incelenmesi
Multi-jet impingement heat transfer system design and numerical examination
AHMET HİKMET UNTUÇ
Doktora
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SALİH ÖZEN ÜNVERDİ
- Çarpan hava jeti teknolojisi ile çalışan ev tipi fırın prototipindeki akış ve ısı transferinin incelenmesi
Analysis of flow and heat transfer in a domestic oven prototype working with impinging air jet technology
ÖMER ABACI
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiEge ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. UTKU ŞENTÜRK