Numerical investigation of mixed convection in a lid driven cavity with rotating and fixed cylinder
Hareketli kapağı olan ve dönen ve sabit silindir içeren bir kavite içerisindeki karışık taşınımın sayısal incelenmesi
- Tez No: 636946
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ SERTAÇ ÇADIRCI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- 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: 209
Özet
Karışık konveksiyonla ısı transferi çeşitli doğa olayları ve birçok sanayi uygulamasında çok sık görülen bir ısı transferi formudur. Bu ısı transferi formu, iki farklı konveksiyon ısı transferi formunun birleşiminden oluşmakta olup bu ısı transferi çeşitleri sırasıyla; dış yüzeylerden farklı sıcaklıkta bir akışkanın yüzeyler üzerinde oluşturduğu kesme kuvvetlerinden doğan zorlanmış taşınım ile, yoğunluk farkından dolayı yüzey üzerindeki akışkanın yerçekimi yönünün zıddında harekete geçmesinin tetiklendiği doğal taşınımdır. Kapak tahrikli çukur problemi, bu kombine ısı transferi çeşitleri arasında endüstride kullanılmakta olan türlü uygulamalara konu olmuş bir problem olup literatürde birçok farklı kişi tarafından araştırılmış bir konudur. Kapak tahrikli çukur akışı probleminde duvarlar arasındaki sıcaklık farkından dolayı gerçekleşen doğal taşınım ile çukur sınırlarını oluşturan duvarlardan birinin veya birden fazlasının hareket ederek çukur içerisinde zorlanmış taşınım oluşmaktadır. Bu çalışmada, merkezinde dairesel silindir bulunan kapak tahrikli çukur problemi incelenmiştir. Analizlerde genel hatlarıyla iki farklı konfigürasyon kullanılmış ve bu konfigürasyonlarda sırasıyla dönen ve sabit dairesel silindirli kapak tahrikli çukur akışı incelenmiştir. Analizlerin asıl amacı, çukur içinde gerçekleşen ısı transferi ve akış alanının, boyutsuz parametreler olan Reynolds ve Grashof sayıları ile ilişkisinin irdelenmesi ve analizi yapılan sistemlerin kullanılan iş karşılığında ısı transferine ne kadar iyileştirme yapabildiğini ölçmek üzerine bir parametre oluşturmaktır. Ayrıca, dönen silindirli analizlerde silindirin açısal hızının ısı transferine ve sistem performansına olan etkisinin incelenmesi de bu çalışmanın araştırma başlıklarından biridir. Çukur geometrisi kare şeklinde eşit en ve boya sahip olup üst duvarı hariç çukuru çevreleyen diğer duvarları sabittir. Çukurun alt duvarı yüksek sıcaklıkta tutulup, üst duvarı düşük sıcaklıkta tutulurken dikey duvarları ısıl olarak yalıtılmıştır. Süreklilik, momentum ve enerji denklemleri iki boyutlu olarak hesaplanmıştır. Çukur içerisinde gerçekleşen akışın laminer olduğu kabul edilip, sıcaklık farkından dolayı meydana gelen kaldırma kuvvetlerin denklemlere Boussinesq metodu kullanılarak entegre edilmiştir. Bu metotta, sadece yerçekimi yönünde oluşan momentum denkleminde sıcaklık farkına göre akışkan yoğunluğu değişken sayılıp diğer tüm parametreler için yoğunluk sabit kabul edilmiştir. Ön hazırlık analizlerinde farklı çaplarda merkezi dairesel silindir kullanılmış olup, yalıtımlı ve düşük sıcaklıkta (izotermal) olmak üzere iki farklı ısıl sınır koşulu mukayese amacıyla kullanılmıştır. Analizlerin karışık taşınımla ısı transferlerinin mukayesesi için ortalama Nusselt sayısı belirleyici çıktı parametresi olarak belirlenmiştir. Ayrıca sistem performansının karşılaştırılabilmesi için boyutsuz bir performans parametresi olan performans katsayısı (COP) türetilmiştir. Türetilen COP değerinin hesaplamasında kullanılan yöntem, boyutsuzlaştırılmış ısı transferi ve işin birbiriyle olan oranının hesaplanmasıdır. Bu hesaplama ile artan ısı transferi veya düşen harcanan enerji, sistemin verimliliğini artıracak değişiklikler olacaktır. Üst kapağın tahrikle hareket etmediği durumda ve sadece duvarlar arasındaki sıcaklık farkından meydana gelen ısı transferinin ölçü değeri olarak kullanılıp, belirlenen Re ve Gr değerlerinde oluşan ısı transferinin bu referans değere bölünmesiyle ısı transferinin boyutsuzlaştırılmıştır. Boyutsuz iş ise belirlenen Re ve Gr değerlerine göre ortaya çıkan işin, sıcaklık farkının olmadığı ve sadece kapak tahrikiyle oluşan çukur akışında meydana gelen işin birbirine bölünmesi ile hesaplanmaktadır. Analizlerin gerçekleştirildiği aralık 100≤Re≤1000 ve 100≤Gr≤100000 olarak belirlenmiştir. Bu kullanılan aralığın geniş olmasından dolayı bu parametrelerin kullanılmasıyla analiz sınır koşulları olarak kullanılacak olan sıcaklık farkı ve kapak hızı, hava için hesaplandığında çok düşük ve rasyonel olmayan değerler hesaplanmaktadır. Bu nedenle bu değerlerin gerçekçi olarak hesaplanabilmesi için yapay akışkan metodu kullanılarak sıcaklık farkı, kapak hızı, akışkan viskozite ve öz ısısı değerleri her bir Reynolds ve Grashof sayıları için ayrıca hesaplanarak analizlerde rasyonel sıcaklık ve hız değerlerinin kullanılması sağlanmıştır. Aynı Reynolds ve Grashof sayılarının tanımlandığı çeşitli sıcaklık farklarının arasında karşılaştırmalı analizlerin sonucunda, yapay akışkan yaklaşımının geçerli oluşu ve analiz sonuçlarının boyutsuz sayılarla bağlantılı olduğu gözlenmiştir. Aynı Richardson değerleriyle yapılan farklı Grashof ve Reynolds değerlerine sahip analizler karşılaştırıldığında ortalama Nusselt sayıları ile COP değerlerinin aynı Richardson değerlerinde çok farklı olduğu görülmektedir. Dolayısıyla, kapak tahrikli çukur akışında sadece Richardson sayısına bağlı olarak sistemdeki ısı transferi sürecini irdelemenin mümkün olmadığı görülmektedir. Isı transferinin silindirin ısıl sınır koşulu ile ilişkisi araştırıldığında düşük sıcaklıkta tutulan (izotermal) silindir analizlerinde alt duvarda ısı transferinin yalıtımlı silindir analizlerine göre daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Sıcaklık dağılımlarından görüldüğü üzere bunun nedeni, silindir ile alt duvar arasındaki sıcaklık gradyenlerinin daha yüksek olmasıdır. Buna karşın, yalıtımlı silindir analizlerinde sistem performansının izotermal silindirin olduğu durumlara göre daha yüksek olduğu görülmüştür. Çünkü, yalıtılmış durumların referans ısı transfer değerleri yani kapak tahriki olmadığı durumlarda çok düşük olmasından dolayı, ısı transferindeki artış oransal olarak yalıtımlı durumda çok daha fazla olduğu görülmektedir. Farklı silindir çaplarının kullanıldığı analizlerde, silindir çapının artmasıyla ortalama Nusselt sayısının arttığı görülmüştür. Bunun nedeni, silindir ve duvarlar arasında sıcaklık gradyenlerinin artması ve çukur içinde silindir etrafında sirküle eden akışkanın hızının artmasından dolayı zorlanmış taşınımın ısı transferine katkısının artması olarak görülmüştür. İzotermal silindir analizlerinin sonucunda düşük Grashof değerleri için, dairesel silindir çapının artmasıyla birlikte COP değerlerinin düşmesi gözlenmiştir. Buna karşın aynı koşullarda artan çap değeri için yalıtımlı silindirli analizlerde COP değerinin arttığı gözlemlenmiştir. Reynolds sayısı ile ısı transferinin ilişkisi incelendiğinde, neredeyse tüm çaplardaki silindirli analizlerde ve her iki yalıtılmış silindir ile izotermal silindirli durumda Reynolds sayısının artışıyla ısı transferinde ciddi bir artışın olduğu gözlenmektedir. Grashof sayısının etkisi ile karşılaştırıldığında, Reynolds sayısının ısı transferin üzerine daha baskın bir etkiye sahip olduğu görülmektedir. Fakat, Reynolds sayısının artışı kullanılan üç farklı silindir çapı ile yapılan analizlerin neredeyse çoğunda COP değerinde bir artış gözlenmektedir. Bunun sebebi olarak Reynolds sayısının artışına bağlı olarak ısı transferindeki artışın yapılan işin artışına göre daha fazla olduğu anlaşılmaktadır. Düşük Grashof sayılarında, Grashof sayısının artışı ısı transferi üzerinde ciddi bir artışa neden olmadığı gözlenmektedir. Buna rağmen yüksek Grashof değerleri için ortalama Nusselt sayısında kayda değer artışlar görülmektedir. Grashof sayısının artışıyla sistemin verimliliğinin göstergesi olan COP değerinin artış yaşadığı görülmektedir. Bunun nedeni hem ısı transferindeki iyileşme hem de Grashof sayısının artmasıyla yoğunlaşan saat yönündeki sirkülasyonun kapak üzerinde harcanması gereken işi azaltması olarak görülmektedir. Grashof sayısının yüksek değerlerde olduğu durumlarda ise Grashof sayısının artışında COP değerinde ciddi düşüş görülmektedir. Bunun nedeni ise yapılan işte azalmanın gerçekleşmesine rağmen ısı transferindeki artışın sınırlı oranda kalması COP değerinin diğer durumlara göre daha düşük olmasına yol açmasıdır. Dönen ve sabit silindir konfigürasyonlarını barındıran yapılan detaylı parametrik analizlerde görüldüğü üzere düşük Reynolds ve Grashof değerlerinde, Re veya Gr artışının ciddi şekilde ortalama Nusselt sayısını artırdığı görülürken, daha yüksek Re veya Gr değerlerinde ortalama Nusselt sayısı her iki değişkene göre de neredeyse lineer olarak değiştiği görülmektedir. Yüksek Re ve düşük Gr değerlerinde COP değerinin ciddi artış gösterdiği görülmektedir. Silindir açısal hızının artması, ısı transferini arttırdığı gözlenirken COP değerinde ciddi düşüşe sebep olmaktadır. Bunun nedeni ise ısı transferinde artış olmasına rağmen silindir üzerinde yapılan iş ile kapak üzerinde yapılan işin referans iş değerine göre yüksek olmasıdır. Yapılan parametrik analiz verisinin kullanılması sonucu Matlab Neural Network Fitting modülü kullanılarak oluştulan yapay sinir ağı (ANN) modelinin, parametrik analizin yapıldığı Re ve Gr değerlerindeki aralıkta CFD analizi yapılmamış koşullardaki ¯Nu ve COP değerlerini tahmin etmekte başarılı olduğu görülmüştür.
Özet (Çeviri)
Mixed convection is a prevalent phenomenon that spans from various natural occurrences to numerous industrial applications. Lid driven cavity problem arises as one of the crucial subjects of research in mixed convection processes among industrial applications. In the present study, heat transfer in a lid driven square cavity with a centered rotating or fixed cylinder is examined with different values of Reynolds and Grashof numbers. Main goal of the study is to understand the effect of these parameters on thermo-fluidic flow field inside the cavity and heat transport from hot boundary to cold boundary of the enclosure. Boundary conditions of the cavity are defined so that bottom wall has high temperature, sliding top wall is kept at low temperature while vertical walls are adiabatic. Flow inside the cavity is assumed as laminar and Boussinesq approach is used for momentum calculations. In the study, mainly two different configurations are observed which are cavity with a rotating cylinder and cavity with a fixed cylinder. Thermal boundary condition of the hollow cylinder is defined as isothermal for extended analyses, but for cylinder wall, it is defined as isothermally low temperature or adiabatic in preliminary analyses due to comparison purposes. In order to conduct analyses in range of 100≤Re≤1000 and 100≤Gr≤100000, artificial fluid approach is used so that top wall velocity, viscosity, specific heat and angular velocity of the hollow cylinder is defined by corresponding dimensionless parameters with the help of fixed dimensional parameters such as temperature difference or density. A new nondimensional parameter, COP, is defined to measure efficiency of the lid driven cavity by using division of dimensionless heat transfer to dimensionless work. Dimensionless heat transfer and dimensionless work is calculated by using the ratios between heat transfer or work and baseline values of those outputs which are calculated where for baseline heat transfer, Re=0, for baseline work, Gr=0. It is observed that for thermal boundary condition of cylinder affects heat transfer inside the cavity such that it is higher in isothermal condition of cylinder due to high temperature gradients between cylinder and bottom wall. On the other hand, higher COP is experienced in adiabatic cases due to lower baseline heat transfer compared to isothermal cylinder cases. It is observed that increasing diameter of cylinder leads to improved heat transfer due to higher temperature gradient and higher velocities between hot bottom wall and cylinder. Moreover, it is seen that COP decreases with increasing diameter for isothermal cylinder cases. It is observed that COP increases with increasing Gr in adiabatic cases. Average Nusselt number and COP increases with rising Reynolds number as a result of increased forced convectional effect inside the cavity. It is seen that as Grashof number rises, heat transfer increases whereas COP decreases due to high baseline heat transfer compared to lower Gr values. On the other hand, increased rotational motion of fluid in clockwise direction due to high buoyancy forces lessen needed forces acting on sliding top wall. It is observed from extended analyses that exponential increase in ¯Nu where Reynolds and Grashof are low. However, it shows linear relations with those parameters as they increase. It is observed for increasing angular velocity of circular cylinder in clockwise direction that as Re and Gr increase, improvement in ¯Nu stands out. On the other hand, increasing angular velocity significantly decrease COP due to major increase in work and relatively limited improvement in heat transfer. It is seen that generating ANN model is a useful method to formulize outputs with depending input parameters for prediction of ¯Nu and COP by using raw data in the specified range where CFD result is not available.
Benzer Tezler
- Gözenekli bir düşey kanalda birleşik taşınımla ısı geçişi akışın sayısal incelenmesi
Numerical investigation of mixed convection heat transfer and fluid flow in a vertical porous channel
OSMAN GÜNAY
- Laminar akış durumunda kesintili sıcaklık fonksiyonuna göre değişen levha sıcaklıklarının karışık konveksiyona etkisinin iki boyutlu eğik kanalda sayısal olarak incelenmesi
Başlık çevirisi yok
MEVLÜT ARSLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MECİT SİVRİOĞLU
- Çıkıntılı ısı kaynakları bulunan bir kanalda karışık konveksiyon ile ısı transferinin laminar ve türbülanslı akış şartlarında deneysel ve sayısal analizi
Experimental and numerical investigation of laminar and turbulent mixed convection heat transfer in a channel with discrete protruded heat sources
TOLGA PIRASACI
Doktora
Türkçe
2009
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MECİT SİVRİOĞLU
- Tabanına ayrık ısı kaynakları yerleştirilmiş dikdörtgen kesitli yatay bir kanalda karma taşınım ile ısı transferinin incelenmesi
Investigation of mixed convection heat transfer in a rectangular horizontal channel with discrete heat sources placed on the base
SONER BİRİNCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine MühendisliğiKaradeniz Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ORHAN AYDIN
- Alt ve üst yüzeylerine ayrık ısıtıcılar yerleştirilmiş dikdörtgen kesitli bir kanalda karışık konveksiyonla ısı transferinin incelenmesi
Investigation of mixed convection heat transfer from a rectanguler cross-section channel with discrete heat sources at the top and at the bottom
AYLA DOĞAN
Doktora
Türkçe
2003
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. MECİT SİVRİOĞLU