Heat transfer and flow analysis in a spiral channel filled with steel balls
Spiral kanal içerisine bilye yerleştirilerek oluşturulan gözenekli ortamlarda akış ve ısı geçişi analizi
- Tez No: 786338
- Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA ÖZDEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 97
Özet
Spiral kanallardaki akışlar, hem doğadaki varlıkları, hemde akış ve ısı transferinde oluşturabildikleri çok sayıda etkilerinden dolayı hep merak edilip, bilim insanlarının ilgi odağı olmuşlardır. Bu alanda uzun yıllardan beri çok sayıda çalışma mevcuttur. Gözenekli ortamda da ise, ısı transferinin daha farklı sebeplerden, örneğin yüzey alanı artmasından dolayı, arttığını gözlemlemekteyiz. İki özelliğin aynı anda kullanılması halinde, daha verimli ve iyi sonuçlar alınması beklenmesine rağmen, konu ile ilgili yeterli araştırma bulunmamaktadır. Çalışmamızda, çelik bilyelerle gözenekli ortamı oluşturulmuş spiral bir kanalda, hem momentum, hemde enerji korunumu denklemleri olmak üzere, bir sayısal çözüm arayışı ve aynı zamanda COMSOL yazılımını kullanarak en uygun simülasyon oluşturularak, ısıl dispersiyon kat sayısının analizi hedeflenmiştir. Analitik Çözüm Bu çalışmada elde edilen sayısal sonuçlar, belirli varsayımlar kullanarak (tam gelişmiş ve sıkıştırılamaz akış, zamandan bağımsız), ve spiral kanal geometrisinin oluşturduğu komplikasyonlar düşünülerek, silindirik koordinatlarda çözülmüş olup, çıkan sonuçları deneysel sonuçlarda çıkan verilerle kanal boyu uyuşmaktadır. Bu yöntem ile elde edilen değerleri kullanmak için ihtiyaç duyulan dispersiyon iletkenlik kat sayısı (k_d) tum akışlar değerleri için hesaplanıp, elde edilen değerlerin ortalaması olarak 3.07 [W⁄(m K)] tum hesaplamalarda kullanılmıştır. Analitik çözüm ve deneysel sonuçlar arasındaki tek farklılık durumu ise, analitik çözüm oluşturulurken kanal sonundaki ısıl kayıplar baz alınmadığından dolayı, kanal çıkış sıcaklıkları arasında farklılıklar bulunmaktadır. Bu durum göz önünde bulundurularak, sayısal çözümün hata payı ve dikkat oranı, sadece 270 dereceye kadar olan deneysel verilerle kıyaslanıp değerlendirilmiştir. Elde edilen analitik çözüm, silindirik koordinatlarda tam gelişmiş sürekli bir akış için, denklem (0.2) de verilmiştir. Bu denklem, başlangıç ve sınır şartlarından dolayı deneysel sonuçlara bağlantılı olup, elde edilen değerlerde en çok etkiye sahip olan C_T kat sayısı, deneysel sonuçlardaki kanal boyu sıcaklık değişikliklerinden elde edilmektedir. Bu çözümde kullanılan J kat sayısı ise, denklem (0.1) de sunulmuştur. J= (-ρ_f C_(p,f) KC_φ C_T)/(k_tot μ_f ) (0.1) 〈T〉(r,φ)=J/2.〖ln〗^2 (r_m/r)+(q“r_m)/k_tot .ln(r_m/r)+C_T.φ+T_in (0.2) COMSOL Multiphysics Simülasyonu COMSOL yazılımı kullanılarak gerçekleştirilen simülasyon sonucundaki çözümü ise, kanal çıkışındaki ışıl kayıplarını hesaba katması sonucu, çıkış sıcaklıklarına çok yakın değerler elde etmiş olup, ancak kanal boyu gerçekleşen sıcaklık artışını doğru oranda yansıtamamıştır. Korelasyona Dayalı Çözüm Bu iki yönteme ek olarak, sayısal çözümdeki hesaplamalarda, doğru çözümü bulmak için kullanılan sınır şartlarından dolayı, sayısal çözümlerde deneysel veriler ve sonuçlara bağlı olmak zorunda kalıyoruz. Bu kısıtı aşmak, ve sadece akışın girişteki değerlerini kullanarak kanal boyu bir sıcaklık değişimi öngörüsünde bulunabilmek için, korelasyona dayalı kanal içerisindeki sıcaklık değişimi için bir denklem geliştirildi. Bu denklem, hidrolik çap dayalı Reynolds sayısına bağlıdır ve bu değerin 1500 altı ve üstü koşuluyla, katsayıları farklılık gösteriyordur. Bu yöntem ile elde edilen sonuçlar, hidrolik çap dayalı Reynolds değeri 1500 ve üzeri olan akışlarda, kanal boyunca deneysel sonuçlara en yakın değerleri vermişlerdir. Sonuçlardaki hata oranı ise, hidrolik çap dayalı Reynolds değerinin azalması ile yükselmektedir. Korelasyona dayalı kanal içerisindeki sıcaklık değişimi, denklem (0.3) kullanılarak hesaplanabilmektedir. Bu denklemde kullanılan a ve b kat sayılarının değerleri, her iki hidrolik çap dayalı Reynolds değerine göre denklem (0.4) ve (0.5)'te sunulmuştur. Bu denklem sayesinde, deneysel sonuçlardan bağımsız ve uygulanan başlangıç şartlarına dayalı kanal boyu doğru sonuçlar elde etme imkânı vardır. Kullanılan başlangıç değerleri ise, uygulanan ısı akışı, akış debisi, akışkanın ısıl iletkenlik kat sayısı ve viskozitesi, kullanılan bilye çapı ve silindirik kanalın çapıdır. 〈T〉(r,φ)=J/2.〖ln〗^2 (r_m/r)+(q”r_m)/k_tot .ln(r_m/r)+((a q" μ_f)/((m ) ̇k_f π) (d_p/d)^b ).φ+T_in (0.3) a=1.6379 ,b=0.98463 〖Re〗_dh≥1500 (0.4) a=0.3424 ,b=0.05313 〖Re〗_dh
Özet (Çeviri)
Flow through porous medium, still fascinates curious minds of researchers with many unknown properties, and characteristics ready to be discovered. Hydrodynamical effects within the flow, and corresponding heat transfer outcomes, all create impacts which assist the enhancement in thermal properties of the porous system. In this study, a flow in spiral channel filled with AISI 1010 steel balls is studied based on experimental results of Gokaslan et al. (2022), under different flow rates, considering a constant wall heat flux boundary condition through side walls of the channel. The aim of the study was to create analytical solutions and create a simulation using COMSOL Multiphysics software in order to study thermal dispersion values using results obtained from experimental data and analytical solutions. While processing the analytical solutions, due to complex geometry of the experimental system (Arithmetic spiral), some assumptions have been made in order to simplify, and obtain analytical solutions for the system. Therefore, both momentum and energy equations for the system are solved using cylindrical coordinates due to low curvature ratio, considering an incompressible, steady state fully developed flow. Finally, as a contribution to literature, in order to make analytical solutions independent of values derived from experimental results and overcome this constraint, which these values were used as boundary conditions to obtain a valid solution, a correlation-based equation for temperature distribution along the channel, according to fluid properties such as viscosity, thermal conductivity and inlet flow rate, besides channel and system properties of applied heat flux, utilized steel balls diameter and channel width, was obtained. Both analytical solutions and the correlation-based equations show good agreement with experimental results, and their error for temperature distribution values has been at a maximum value of %6.1 which can be considered accurate. Furthermore, the coefficients used in correlation-based equation have only an error value of %5.35 considering same coefficients derived from experimental results.
Benzer Tezler
- Eğrisel kanal içerisine bilye yerleştirilerek oluşturulan gözenekli ortamlarda akış ve ısı geçişinin deneysel incelenmesi
Experimental investigation of flow and heat transfer in curved channels with porous media formed by filling balls
MUSTAFA YASİN GÖKASLAN
Doktora
Türkçe
2021
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LÜTFULLAH KUDDUSİ
- Modeling of inertial particle flow and entry gas flow in micro-channels
Mikro-Kanallarda Ataletsel Parçacık Akışı ve Giriş Gaz Akışı Modellemesi
REZA RASOOLI
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BARBAROS ÇETİN
- Spiral mini kanallı evaporatör tasarımı ve analizi
Design and analysisof evaporator with spiral mini channel
EREN ALGAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
EnerjiHitit ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İRFAN KURTBAŞ
- Bilgisayar yardımıyla ısı değiştiricisi tasarımı
Computer aided design of heat exchangers
ÖMÜR MURAT ÇETECİ
Yüksek Lisans
Türkçe
1999
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CEM PARMAKSIZOĞLU
- Koruge yüzeyli düz esnek metal hortumlarda basınç düşümü ve ısı transferinin araştırılması
Investigation of pressure drop and heat transfer in straight flexible metal hoses with corrugated surface
ZEYNEP MERVE ALPARSLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN GÜNEŞ