Yüksek viskoziteli bir akışkanın dikdörtgen kesitli kanal akışında hidrodinamik ve ısıl alanların bilgisayar destekli modellenmesi
Computational modelling of flow and heat transfer of a highly viscous fluid in three-dimensional rectangular channels
- Tez No: 75027
- Danışmanlar: PROF. DR. C. RUHİ KAYKAYOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Uçak Mühendisliği, Aircraft Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 1998
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 159
Özet
ÖZET YÜKSEK VİSKOZİTELİ BİR AKIŞKANIN DİKDÖRTGEN KESİTLİ KANAL AKIŞINDA HİDRODİNAMİK VE ISIL ALANLARIN BİLGİSAYAR DESTEKLİ MODELLENMESİ Bu çalışmada, genel olarak viskoz akışların açık ve kapalı kanallar boyunca akışında ısıl ve hidrodinamik alanların gelişimini incelemek amacıyla bir model tanıtılmıştır. Kanal akışları pek çok mühendislik problemini incelemek için kullanılabilecek iyi modellerdir ve bu sebeple yıllardır araştırıcıların ilgi odağı olmuşlardır (GOLDSTEIN ve KREID, 1967; BEAVERS ve diğ., 1969; BRILEY, 1974; PRATAB ve SPALDING, 1976; GHIA ve SOKHEY, 1977; SHIMIDA, 1991). Çeşitli tipteki kanal geometrilerine, ısı değiştergeçleri, atıksu kanalları, çevre teknolojileri ve pek çok malzeme üretim teknolojilerinde rastlanmaktadır. Son 20 yıldır bu konulardaki modelleme yaklaşımlarında bilgisayar destekli analiz yöntemlerinin sıklıkla kullanıldığı görülmektedir. Bu çalışmada da, cam üretim endüstrisinden seçilen“sıvı camın üretim öncesi kanal akışı”geliştirilen bilgisayar destekli model yardımıyla incelenmiştir. Cam üretim teknolojisi, üretim süreci içerisinde daha iyi kontrol ve fiziksel süreçlerin anlaşılmasını gerektiren anahtar teknolojilerden biridir. Bu çalışmada, sıvı camın üretim öncesi açık kanal akışındaki ısı geçişi ve akışkanlar mekaniği problemleri, 3 Boyutlu Parabolik formdaki Navier Stokes denklemleri ve Enerji denkleminin çözümü esasına dayalı bilgisayar destekli bir yöntemle modellenmiş ve sıvı cama serbest yüzeyi boyunca uygulanan ısıl işlem (ısıtma/soğutma) etkileri incelenerek elde edilen sonuçlar tartışılmıştır. Cam üretim işleminde özellikle bilgisayar destekli hesaplamalı analiz yöntemleri ile deneysel veriler birlikte kullanıldığında, malzeme hazırlık sürecinden son ürüne kadar tüm işlemlerin anlaşılması ve bu alanda daha etkin ve verimli sonuçlar alınabilecek yeni anahtar teknolojilerin geliştirilmesi mümkün olabilecektir. Sürekli bir cam üretim işleminde, erimiş cam, hammaddenin eritildiği bir tanktan alınır ve“Forehearth”olarak adlandırılan üretim öncesi kanallar boyunca akarak fiberler, değişik cam ürünleri, tüpler vb şeklini almak için son ürün aşamasına gelir. Forehearth çıkış kesitinde son ürünün cinsine bağlı olarak erimiş camın homojen bir sıcaklık ve viskoziteye sahip olması istenir. Bu da, erimiş cama kanal boyunca uygulanan ısıl işlemlerle (ısı verme/ısı çekme) sağlanmaktadır. XIIErimiş camın, bu kanallardan akması sırasındaki akışkanlar mekaniği ve ısı geçişi karakteristiklerinin anlaşılması ve kontrolü, daha iyi Forehearth işletme koşullarının oluşturulması ve yeni Forehearth dizaynlarının yapılabilmesi açısından oldukça önemlidir. Forehearth dizaynı ve işletilmesi elde edilecek olan son ürünün kalitesini ve genel olarak verimliliği çok fazla etkilemektedir. Forehearth dizayn ve kontrolünün daha etkin yapılması, cam sıcaklığının kesit boyunca daha düzgün olmasını da beraberinde getirir. Bu da, genellikle, kanal merkezi boyunca sıcaklık gradyanının değişimi kontrol edilerek yapılmaktadır (RAWSON, 1974). Tüm Forehearth boyunca sıcaklıkların bilgisayar destekli modellerle hızlı bir şekilde bulunması ve bunu takip eden kontrol mekanizmalarının sisteme entegrasyonu ile oluşturulan“akıllı Forehearth”dizaynları da uygulamalarda kendini göstermeye başlamıştır. Şekil İde bir Forehearth geometrisi, Şekil 2de tipik bir Forehearth kesiti görülmektedir. Erimiş cam, kanalın yaklaşık yarısını dolduracak şekilde akmaktadır. Kanalın üzeri kapalı olup değişik konumlarda bazı baca delikleri bulunabilmektedir. Kanal üst kapak geometrisi, Forehearth dizaynına bağlı olarak farklılıklar gösterebilir. ÇIKIŞ LE?IILEME4,_ [bölümü T SOĞUTMA BÖLÜMÜ dT (7) ÖU\ I OU\ I du dx ) \ dy ) \dz f dv du\ fdw dv\ fdu dw\ H& + si) +\âi + Bi) +l& + & J () dir. Yukarıdaki ifadelerde u, v ve w kartezyen hız bileşenleri, T sıcaklık, k ısıl iletkenlik katsayısı, p yoğunluk, j3 ısıl genleşme katsayısı ve m de kütlesel debi olup pgPAT sıcaklık farklarının neden olduğu kaldırma (buoyancy) kuvvetini göstermektedir. Bu denklemler önce boyutsuzlaştırılmış, ardından sonlu farklar temelli bir yaklaşımla ayrıklaştırılmıştır. Boyutsuzlaştırılmada GEBHARD ve diğ. (1988) tarafından önerilen boyutsuz büyüklükler kullanılmıştır. Sıvı cam, büyük oranda serbest yüzeyinden gaz ortama ışınımla ısı alışverişinde bulunmaktadır. Zonal Yöntem (HOTTEL, 1958) kullanılarak serbest yüzeyden olan ışınım modellenmiştir. Işınım şekil faktörleri ise“Çapraz-İpler”(Crossed- Strings) yöntemi ile bulunmuştur. Serbest yüzeyin üzerindeki gazın hareketi de, bir boyutlu hidrodinamik alan ve serbest yüzeye dik yönde toplu-parametre yaklaşımı ile mevcut modele dahil edilmiştir. Bu esaslar altında, Ek F'de verilen, Fortran 90 programlama dili ile yazılan bir bilgisayar programı geliştirilmiştir. XV
Özet (Çeviri)
SUMMARY In this thesis hydrodynamic and thermal characteristics of steady, three dimensional, laminar flows in ducts with rectangular cross sections with and without free surface effects was investigated by using computational techniques. Various types of boundary conditions for problems of technological importance were used in the present computational model. Flow and thermal fields have been modelled by using the parabolized flow approach. Resulting equations in nondimensional form were discretized form by using Alternating Directional Implicit Method with Crank Nicholson type discretization on a finite difference grid structure. A computer code was developed in Fortran 90 and tested on some benchmark problems selected from the available literature. The computer code is capable of handling a broad range of flow and heat transfer problems of fluids through open channels enabling the user to change a number of physical and geometric parameters by external means. Special attention has been given to flow and heat transfer of molten glass flowing through specially designed open channels, forehearths, which carry molten material to forming machinery. A wide range of work from the literature describing glass manufacturing process and some poorly known properties of molten glass as a diathermonous material have been reviewed. The present computational model was adapted to the flow of molten glass with a priori modelling of heat loss from the fluid to the environment by conjugate (conduction + convection + radiation) heat transfer. Forehearths, as a heat exchanger, controls molten glass temperature by means of heat addition, generally from the free surface of the fluid by means of a series of burners in which fuel and air mixture burns in the enclosure just above the free surface. Attempt was given, a priori, to the modelling of heat transfer between molten glass and gas environment and to the effect of gas temperature on the glass temperature and viscosity. Sample cases selected from the available literature have been considered and similar results have been obtained demonstrating the reliability of the present model and computer code. By adding priori conditions and models flow of molten glass through a forehearth-like geometry was studied and results have been documented. It has been found that gas temperature contributes to the heat transfer and it is possible to control the glass temperature and viscosity homogeneity by means of gas environment. It is also shown that heat addition from the free surface is likely to make the temperature field uniform. The effect of forehearth lid geometry to the molten glass is investigated furthermore. XI
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
- Kısmi doldurulmuş dikdörtgen kesitli rijit bir tankın serbest sıvı yüzeyi doğal frekansının Galerkin yöntemiyle hesabı
Calculation of the free liquid surface's natural frequency of a partially filled rigid rectangular tank by Galerkin's method
FUZULİ AĞRI AKÇAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2009
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. M. CENGİZ DÖKMECİ
- Viskoz ve sıkıştırılamayan iki akışkandan oluşan karışım için zamana bağlı genelleştirilmiş couette akımı ile ilgili analitik çözümler
Analytical solutions for unsteady generalized couette flow of a binary mixture of imcompressible viscous fluids
MEHMET ŞİRİN DEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
Makine Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERDAR BARIŞ
- 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
2022
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELMA ERGİN
- 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