Investigating conjugate heat transfer in a square cylinder via Lattice boltzmann method
Lattice boltzmann yaklaşımıyla kare silindirde birleşik ısı transferinin incelenmesi
- Tez No: 885474
- Danışmanlar: PROF. DR. BAYRAM ÇELİK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 123
Özet
Konjuge ısı transferi (CHT), hem katı hem de sıvıdan oluşan bir bölgede ısı transferini analiz etmek için kullanılan bir yaklaşımdır. Bu yöntemde, ısı transferi sıvıda konveksiyon ve katıda iletim ile yönetilir. Isı değiştiriciler, yanma odaları, mikro-yakıt hücreleri ve çip üzerinde laboratuvar cihazları gibi pratik sistemler, termal bileşenlerin tasarımı, verimliliği ve optimizasyonu için konjuge yaklaşımı kullanır. Yastık plakalı, kanat ve boru, düz borulu ısı değiştiriciler, aero-motor kanatlarının soğutulması, yanma odası kaplamaları ve elektrikli bileşenler gibi uygulamalar CHT kullanımını içerir. Sıvı-katı ara yüzeyinde ısı transferine yönelik deneysel çalışmalar mevcut olsa da, ölçekleme zorlukları, hassas gerçek zamanlı ölçüm zorlukları ve yüksek maliyetler nedeniyle genellikle daha küçük geometrilerle sınırlıdır. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) ve diğer sayısal simülasyon yöntemleri, CHT çalışmalarını yürütmek için güçlü bir alternatif sunar. Sonlu fark ve sonlu hacim yöntemleri, CHT problemlerini doğru bir şekilde çözer ve pratik uygulamalarda yaygın olarak kullanılır. Ancak, bu yöntemler büyük ölçekli geometriler ve düzensiz geometriler, Newton olmayan akışkan özellikleri gibi karmaşık sıvı-katı ara yüzleri ile başa çıkarken kaynak ve zaman açısından maliyetli olabilir. Bir CHT probleminde, sıvı-katı ara yüzeyinde ısı transferini doğru bir şekilde modellemek esastır. Sabit duvar sıcaklığı veya sabit ısı akısı gibi geleneksel sınır koşullarının kullanılması yetersizdir çünkü bu, katıdaki ısı iletim rolünü göz ardı eder. Sıvı ve katı arasındaki ara yüzeye konjuge sınır denir ve ısı transfer mekanizmasını modellemek için iki yönlü bir bağlama koşulu gerektirir. Bu, yerel ısı akısını sağlamak ve sürekli sıcaklık dağılımını sağlamak için ara yüzeyde enerji korunumu ve termodinamik yasalarını kullanarak elde edilebilir. Sıvı-katı ara yüzeyindeki sınır koşulu, Dirichlet ve Neumann sınır koşullarının bir kombinasyonunu içeren geleneksel olmayan bir yaklaşımla formüle edilmiştir. Bir CHT problemini verimli bir şekilde çözmek için, istenen sonuçları makul bir hesaplama süresi içinde elde etmek, pratik uygulama için gereklidir. Sıvı ve katı denklemlerini monolitik bir yaklaşımla çözmek, zaman alıcı bir çözümleyici uygulamasına sahiptir ve hesaplama açısından maliyetlidir, ancak güçlü bir bağlama ve küresel bir çözüm sunar. Öte yandan, ayrılmış yaklaşım, sıvı ve katı için çözümleyicileri ayırarak çözüm sürecini basitleştirir, ancak yinelemeli bağlama ve daha uzun hesaplama süresi pahasına gelir. Bu CFD yaklaşımlarının her ikisi de konjuge ısı transferi problemlerini çözmek için popülerdir, ancak genel olarak, uygulama, hesaplama kaynakları ve zaman açısından artırılmış yetenekler gerektirirler. Bu nedenle, alternatif bir sayısal teknik olan Lattice Boltzmann yöntemi, son on yıllarda termo-akışkan problemlerini çözmek için güçlü bir hesaplama aracı haline gelmiştir. Lattice Boltzmann yöntemi (LBM), makroskopik durum değişkenlerini değerlendirmek için sahte-parçacık dağılım fonksiyonunu kullanan parçacık tabanlı bir sayısal çözümleyicidir. İlk olarak 1973 yılında lattice gaz otomataları (LGA) olarak tanıtılan LBM, akışkan akışlarını simüle etmek için bir hesaplama tekniği olarak geliştirilmiştir. Araştırmacılar, çok fazlı akışlar, manyeto-hidrodinamik, gözenekli medya akışı, türbülanslı akışlar ve konjuge ısı transferi gibi çeşitli fiziksel fenomenlerde LBM'nin uygulamalarını göstermiştir. Birçok çalışma, farklı sınır koşullarını ele almak ve LBM simülasyonlarının doğruluğunu ve verimliliğini artırmak için daha yüksek dereceli sınır düzenleri geliştirmeye odaklanmıştır. Konjuge ısı transferi bağlamında, LBM, ısı transfer mekanizmasını yönetmek için sıvı-katı ara yüzeyinde açık bir sınır koşulu gerektirmez, bu da uygulanmasını kolaylaştırır. Ayrıca, çarpışma ve akış süreçlerinin yapısı nedeniyle LBM, paralel programlamaya doğal olarak uygundur ve GPU'lar üzerinde olağanüstü hesaplama hızı sağlar. LBM'de parçacık dağılım fonksiyonu, uzay ve zamanda bir parçacık koleksiyon birimini temsil eder. Dağılım fonksiyonları, ilgi alanındaki belirli konumlarda, lattice siteleri olarak bilinen yerlerde yerleştirilir. Genel olarak, Lattice Boltzmann yöntemi, birim bir kartesyen ızgara kullanılarak uygulanır, ancak yapılandırılmamış ızgaraların son uygulamaları umut verici sonuçlar göstermiştir. Konjuge ısı transferi problemleri için, dağılım fonksiyonu, doğası gereği sıvı-katı ara yüzeyinde ısı akısı ve sıcaklık dağılımının sürekliliğini sağlar. Mezomik bir miktar olarak, sıvı ve katı parçacıklar arasındaki etkileşimleri hesaba katar, sıvı-katı ara yüzeyini izleme gereksinimini ortadan kaldırır. Bu ayırt edici özellik, LBM'yi CHT problemlerini çözmek için ideal hale getirir. İlk olarak LBM'nin, sıvı-katı ara yüzeyinde açık bir işlem gerektirmeden ve düşük Reynolds sayısı akış rejiminde düz ara yüzeylerde iyi uygulanarak, CHT problemlerini CFD çözümleyicilerden daha iyi çözebileceği gösterilmiştir. LBM'deki ilerlemeler, daha fazla CHT problemine uygulamalarını genişletmiştir. Örneğin, araştırmacılar konjuge ısı transferi problemlerini keyfi ara yüzeyler için modellemiş ve eğri ara yüzeylerle başa çıkmak için bir gömülü sınır şeması önermişlerdir. LBM alanındaki devam eden araştırmalar göz önüne alındığında, çeşitli akışkan akışı ve ısı transferi problemlerinde uygulamalarını keşfetmeye devam eden birçok çalışma bulunmaktadır. Bu çalışmanın amacı, düşük Reynolds sayılarında meydana gelen zaman periyodik akışlar için bir kanalda sıkışmış katı kare bir silindirin ısı transferi özelliklerini araştırmaktır. GPU'da çalışabilen doğrulanmış bir içsel lattice Boltzmann çözümleyicisi, CHT simülasyonlarını gerçekleştirmek için kullanılmaktadır. Çözümleyici, akışkanlarda sıkıştırılamaz viskoz akış ve konveksiyon denklemlerini ve katı bölgede iletim denklemini sayısal simülasyon için uygular. Reynolds sayıları, Re50≥ olduğunda, kanaldaki ısı ve kütle transferleri akış fiziğinden etkilenir. Katıdan sıvıya termofiziksel özellikleri (kr), Prandtl sayısı (Pr) ve Reynolds sayısını (Re) sistematik olarak değiştirerek parametrik bir çalışma yaparız. Bu şekilde, genel ısı transfer mekanizmasını, zaman ortalamalı sıcaklık değişimlerini ve sistemin genel performansını belirleyebiliriz. Çalışma, Re=50, 100, 150, ve 200; kr=0.71, 1, 5, ve 10; ve Pr=0.71, 1, 5, ve 10 için gerçekleştirilmiştir. Silindir-kanal sistemindeki ısı transferi ve sıcaklık dağılımını incelemek için farklı çalışma koşulları altında kararsız kütle ve ısı transferleri araştırılmıştır. 1. Bölüm, çözümleyiciyi geliştirmek için kullanılan temel GPU programlama ilkelerini tanıtır. 2. Bölüm, Lattice Boltzmann yönteminin teorik yönlerini ele alır ve erken gelişmeler, rahatlama modelleri için kullanılan şemalar ve 1-D, 2-D ve 3-D problemlerindeki farklı ızgara düzenlemeleri hakkında bilgi verir. 3. Bölüm, konjuge ısı transferi alanındaki gelişmeleri ve LBM kullanarak sayısal uygulamasını tartışır. Sayısal stabilite ve sınır koşulları da tartışılmıştır. Son olarak, sayısal çalışmamıza 5. bölümde başlıyoruz. Akış ve ısı çözücülerimizin doğrulanmasıyla başlıyoruz. Problem kurulumumuzun geometrik tanımı, sınır koşulları, CHT araştırması için kullanılan akış ve termofiziksel özellikler tartışılmaktadır. Sayısal çözümleyicinin tüm iş akışı, bir akış şemasında sağlanmış ve ardından ağ bağımlılığı testi yapılmıştır. Akış alanı ve sıcaklık dağılımının konturları olarak verilen işlenmiş sonuçlar, .vtk uzantılı olarak üretilmiş ve PARAVIEW'de görselleştirilmiş bir dizi şekil aracılığıyla gösterilmiştir. Her şekil, kullanıcı tarafından tanımlanan Prandtl sayısı, katıdan sıvıya iletkenlik oranı ve Reynolds sayısı girişi için benzersizdir. 5. Bölüm, tartışma ve ana bulguların analizine adanmıştır. Bu çalışmadaki akışkan akışı, Re≥50 kritik eşiğinde başlayan zaman periyodik rejime aittir ve blokaj oranı H/D=4 olan kanaldaki kare silindir için geçerlidir. Akışın periyodik doğası, sistemdeki sıcaklık dağılımını ve ısı transferini etkiler. Bu çalışmanın tüm bulgularını özetlemek ve parametrelemek için silindirin zaman ortalamalı Biot numarası hesaplanmış ve performansı değerlendirilmiştir. Son olarak, bu çalışma hakkındaki sonuçlar 6. bölümde vurgulanmıştır. Bu çalışma, hesaplamalı modelleme ve sayısal simülasyonlar yoluyla konjuge ısı transferi fenomeninin anlaşılmasına katkıda bulunmaktadır. Bulgular, akışkan akışının ısı transferi ve sıcaklık dağılımı üzerindeki etkisine dair değerli bilgiler sunmaktadır. Bu, termal sistemlerin optimize edilmiş tasarımı ve performansı için yol açabilir.
Özet (Çeviri)
Conjugate heat transfer (CHT) is an approach that involves combination of heat transfer in fluids and solids. Unlike general heat transfer phenomena, conjugate heat transfer involves simultaneous analysis of fluid flow and thermal behavior. In practical applications, the interaction between fluid flow and heat transfer is common, necessitating conjugate approach for conducting analysis. Conventional heat transfer analyses with constant thermal properties often do not consider the influence of fluid flow on the temperature distribution. Conjugate heat transfer studies become imperative when the effects of fluid motion on temperature variations cannot be neglected. Conjugate heat transfer finds applications across various fields that include aerospace engineering, automotive design, biomedical engineering and industrial processes. Examples include thermal management in high-speed aircraft engines, cooling systems for electronic devices and optimizing heat dissipation in manufacturing processes etc. Beyond traditional engineering disciplines, conjugate heat transfer is also relevant in biomedical sciences (e.g., thermal modeling for drug delivery systems), geophysical studies (e.g., modeling heat transfer in earth sciences), and chemical engineering (e.g., optimizing reactor designs). Presently, numerical simulations using the Lattice Boltzmann Method (LBM) offer a powerful and effective alternative to classical CFD methods for studying conjugate heat transfer. This is because LBM is inherently parallelly programmable and does not require a conjugate boundary condition for solving CHT problems. Advancements in computational techniques particularly utilizing the parallel processing capabilities of Graphics Processing Units (GPUs) have revolutionized the numerical solvers that are parallelly programmable. High-performance computing centers enable researchers to tackle complex problems efficiently by harnessing the computational power of GPUs. This is particularly advantageous in problems such as conjugate heat transfer that involves intricate thermal-fluid dynamics. Since, LBM is inherently adaptable to run parallel computations, it is ideal for simulating CHT problems. Therefore, LBM with its GPU-based parallel computing capabilities not only enables research and studies in this field with unprecedented accuracy and computational efficiency but also eliminates the need for conjugate boundary conditions, thereby reducing computational costs significantly. In this thesis, an in-house developed Lattice Boltzmann solver is employed to simulate conjugate heat transfer. Non-isothermal viscous flow around a 2-D bluff body i.e. a thermally conductive square cylinder confined in a duct is the primary focus of analysis. The LBM solver is versatile and can be easily adapted to various other geometric configurations and can also be extended to solve multi-phase flows by incorporating relevant phase equations in the numerical solver. The computational setup of the LBM-CHT solver includes a flow solver and a heat solver integrated together in a single framework of a CUDA file (.cu). The solver is implemented using CUDA C++ programming model that is built to be executed on NVIDIA GPUs. Chapter 1 introduces the basic GPU programming principles that were used to develop the solver. Chapter 2 covers the theoretical aspect of Lattice Boltzmann method giving insights into the early developments, schemes used for relaxation models and different lattice arrangements in 1-D, 2-D and 3-D problems. Chapter 3 discusses the developments in the field of conjugate heat transfer and its numerical implementation using LBM. Numerical stability and boundary conditions are also discussed. Finally, we start our numerical study in chapter 5. We begin with the validation of our flow and heat solvers. The geometrical definition of our problem setup, boundary conditions, flow and thermophysical properties used for CHT investigation are discussed. The whole workflow of the numerical solver is provided in a flowchart followed by mesh dependency test. Post-processed results given as contours of flow field and temperature distribution are illustrated through a series of figures that are generated with .vtk extension and visualised in PARAVIEW. Each figure is unique to user-defined input for Prandtl number, solid to fluid conductivity ratio and Reynolds number. Chapter 5 is dedicated to discussion and analysing the key findings. The fluid flow in this study pertains to unsteady time periodic regime that commences at a critical threshold of Re greater than 50 for the square cylinder in the channel with blockage ratio H/D=4. The periodic nature of flow affects the temperature distribution and heat transfer in the system. To summarise and parameterise all the findings of this study, time-averaged Biot number of the cylinder is calculated to judge its performance. Finally, the concluding remarks about this study are highlighted in chapter 6. This study contributes to the understanding of conjugate heat transfer phenomena through computational modeling and numerical simulations. The findings provide valuable insights into the effect of fluid flow on heat transfer and temperature distribution. This can help in paving the way for optimized design and performance of thermal systems.
Benzer Tezler
- Dairesel mikro kanallarda geçici rejim birleşik ısı transferinin sayısal incelenmesi
Numerical investigation of unsteady conjugate heat transfer in circular micro channels
SONER ŞEN
Doktora
Türkçe
2016
Makine MühendisliğiSelçuk ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SELÇUK DARICI
- Yatay dairesel bir boruda birleşik zorlanmış taşınımla ısı transferinin deneysel incelenmesi
Experimental investigation of conjugate forced convection heat transfer in a horizontal circular pipe
ORKUN SEZER
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiKonya Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SELÇUK DARICI
- Theoretical investigation of conjugate condensation heat transfer inside vertical tubes
Düşey tüplerde eşlenik yoğuşmalı ısı aktarımının kuramsal analizi
SERHAT KÖSE
Doktora
İngilizce
2010
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. A. ORHAN YEŞİN
- Kanatlı borulu bir ısı eşanjöründeki ısı geçişinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of heat transfer in finned and tube heat exchanger
HATİCE CANBAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OKTAY ÖZCAN
- Eşmerkezli borulu ısı değiştiricilerinde helisel türbülatörlerin etkilerinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of effects of helical turbulators in concentric tube heat exchangers
EŞREF BAYSAL