Numerical study on determination of thermal dispersion conductivity of metal foams
Metal köpüklerde ısıl dispersiyon ı̇letkenlı̇ğı̇nı̇n sayısal olarak belı̇rlenmesı̇
- Tez No: 895396
- 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: Isı-Akışkan Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 77
Özet
Artan enerji talebi ve daha enerji verimli ekipmanlara duyulan ihtiyaçla birlikte, ısı transfer cihazlarına metal köpüklerin yerleştirilmesi önem kazanmıştır. Daha iyi ısı transferi cihazları tasarlamak için ısı transferi ve akış özellikleri hakkında bilgi sahibi olmak gereklidir. Metal köpüklerde taşınım olayını analiz etmek için iki yaklaşım uygulanmaktadır. Bu iki yaklaşım mikroskobik ve hacim ortalamalı analizdir. Gözenekli ortamın karmaşık yapısı nedeniyle gözenek boyutunda analiz yapmak zordur. Bu nedenle, hacim ortalama yöntemi metal köpüklerdeki akış ve ısı transferini incelemek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Mikroskobik enerji denkleminin hacim ortalamasının alınması, termal dağılım ve tortuosite olarak adlandırılan iki ekstra terimin bulunmasına neden olur. Dispersiyon iletkenliği, ısı transferini etkileyen önemli bir parametredir. Bu sebepten dolayı, termal dağılım olgusunun anlaşılması, gözenekli ortamlarda konvektif ısı transferinin analizinde önemli bir rol oynamaktadır. Dispersiyon, gözenek seviyesindeki sıcaklık ve hız düzensizliği ile akışın sıcaklık alanı üzerindeki karıştırma etkisi nedeniyle oluşmaktadır. Dispersiyon terimi, ısı iletimi taşınımı şeklinde modellenebilir ve dispersiyon iletkenliği ile tanımlanabilir. Gözenekli ortamlarda etkin iletkenliğe ilişkin kapsamlı araştırmalara rağmen, metal köpüklerde dispersiyon iletkenliğinin etkisini araştırmaya sınırlı bir odaklanma yapılmıştır. Bu çalışmalarda, metal köpükten su akışı durumunda, dispersiyon iletkenliğinin ısı transferinin artırılmasında önemli bir etkiye sahip olduğu bulunmuştur. Bu araştırmada, alüminyum köpük ile doldurulmuş boru içerisindeki ısıl dispersiyon iletkenliğini belirlemek için ticari CFD yazılımı“COMSOL”kullanılarak sayısal simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Simülasyonlar, dış yüzeyden uygulanan düşük akış hızları (15 g/s'nin altında) için q^''=15,518 (W/m^2) sabit ısı akısı ve daha yüksek akış hızları için q^''=26,865 (W/m^2) altında düz su akışını incelemektedir. Analizler, 10 ppi ve 40 ppi gözenek sıklığına, 88.5% gözenekliliğe sahip alüminyum köpük için yapılmıştır. Toplam 10 simülasyon Darcy ve Forchheimer rejimini kapsayan farklı giriş hızlarına ile her iki köpük tipi için gerçekleştirilmiştir. Sıcaklık dağılımını elde etmek için hacim ortalamalı momentum denklemi ile birleştirilmiş yerel ısıl dengeyi kabul eden enerji denklemi çözülmüştür. Sayısal simülasyonun akış koşulu ve termofiziksel özellikleri literatürde bildirilen deneysel koşullarla aynıdır. Sayısal modeli tanımlamak için 20005 elemanlı tetrahedron ağ kullanılmıştır. Dispersiyon iletkenliği deneme yanılma yaklaşımıyla hesaplanmıştır. Hem duvar sıcaklığı hem de yerel Nusselt sayısı için literatürde elde edilen sayısal ve deneysel sonuçlar arasında en iyi uyumu bulmak için, her bir giriş hızı için farklı modeller, toplam termal iletkenlik değiştirilerek çözülmüştür. Sayısal ve deneysel veriler arasındaki sapma termal olarak gelişmiş bölgede %3'ün altına düştüğünde iterasyon işlemi sonlandırılır. Isı analiz sonuçları deneysel sonuçlarla iyi bir uyum içindedir. Bu da elde edilen sayısal simülasyon sonuçlarını doğrulamaktadır. Ancak, Darcy öncesi rejimden Darcy'ye veya Darcy'den Forchheimer rejimine geçiş bölgesinde sayısal ve deneysel sonuçlar arasında bazı sapmalar vardır. Dispersiyonun Nusselt sayısı üzerindeki etkisini belirlemek için, yerel Nusselt sayısı farklı ısıl dispersiyon iletkenliklerle hesaplanmıştır. Bu analiz, Nusselt sayının dispersiyon iletkenliği arttıkça yükseldiğini vurgulamaktadır. Bu da dispersiyonun ısı transfer hızına katkısını göstermektedir. Ayrıca, alanın girişinde, duvar ve akışkan arasındaki küçük sıcaklık farkı nedeniyle Nusselt sayısının yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Akışkan girişten uzaklaştıkça, duvar ve akışkan arasındaki ısı transferi nedeniyle akışkan sıcaklığı artar. Sonunda, akış ısıl olarak tamamen gelişmiş hale gelir ve sıcaklık farkı sabit hale gelerek sabit Nusselt sayısı ile sonuçlanır. Test alanının giriş bölgesinde sayısal ve deneysel sonuçlar arasında büyük bir tutarsızlık olduğu COMSOL ile alan simülasyonundaki sınırlamalar nedeniyle görülmektedir. Ayrıca, Forchheimer rejimindeki hızlar için Nusselt sayısının daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir, bu da daha yüksek hızlarda daha güçlü atalet etkilerinden kaynaklanmaktadır ve bu da daha yüksek konveksiyon ısı transferine yol açmaktadır. Forchheimer rejiminde 40PPI alüminyum köpük 0.06 ve 0.072 m/s hızlar için yüksek hatalar gözlemlenmiştir. Bunun nedeni, deneysel verilerdeki belirsizliğe katkıda bulunan köpük boyunca duvar sıcaklığındaki genel değişimin düşük olmasıdır. Bu nedenle, sayısal sonucun bu hız aralığındaki deneysel verilere uydurulması, dispersiyon iletkenliğinin yanlış tahmin edilmesine neden olabilir. Isıl dağılımın etkin ısıl iletkenliğe oranı ile 〖Re〗_K arasındaki ilişki incelenmiştir. Bu çalışmada etkin ısıl iletkenlik aşağıdaki şekilde elde edilmiştir. k_eff/k_f =ε+A(1-ε)^n k_s/k_f (1) burada n 0.639 ve A su akışı için 0.195'e eşittir, k_s katı faz iletkenliği ve k_f akışkan faz iletkenliğidir. Bu çalışma için bu denklemden elde edilen efektif termal iletkenlik değeri 6.79'a eşittir. Dispersiyon iletkenliğinin değişim eğiminin Darcy hız aralığında daha yüksek olduğu, Forchheimer hız aralığında ise dispersiyon iletkenliği değerinin neredeyse sabit kaldığı gözlemlenmiştir. Ayrıca, aynı giriş hızlarında 10PPI ve 40PPI için dispersiyon iletkenliğinin neredeyse aynı değere sahip olduğu görülmüştür, bu da gözenek yoğunluğunun dispersiyon iletkenliği üzerindeki etkisinin küçük olduğunu göstermektedir. Dispersiyon iletkenliği Forchheimer rejiminde etkin iletkenliğin yaklaşık yüzde 150'si olarak hesaplanırken, bu sayı Darcy akışı için yüzde 90 civarındadır. Bu nedenle, dispersiyon iletkenliğinin etkisinin daha yüksek hızlarda daha önemli olduğu sonucuna varılabilir. Isı transferinde dispersiyon iletkenliğinin etkisini analiz etmek için toplam ısıl iletkenliğe dayalı Nusselt sayısı tanımlanmıştır: Nu〗_o=(Dq^'')/(k_o (T_w-T_b)) (2) Burada k_o, dispersiyon ve etkin termal iletkenlikten oluşan toplam termal iletkenliktir. Toplam ısıl iletkenliğe dayalı Nusselt sayısının, toplam iletkenliğe dayalı Prandtl sayısı ile çarpılan Reynolds sayısına göre davranışı incelenmiştir. Toplam Nusselt sayısı ile 〖Re〗_K 〖Pr〗_o arasında lineer bir ilişki gözlemlenmiştir. Ayrıca, 40 PPI metal köpük için toplam Nusselt sayısı daha yüksektir ve bu da 40PPI'ın 10PPI'dan daha yüksek ısı transferi sağladığını göstermektedir. Bu doğrusal trendin eğimi her metal köpük tipi için farklıdır, bu da gözenek yoğunluğunun ısı transferi üzerindeki etkisinin önemli olduğunu göstermektedir. Toplam ısıl iletkenliğe dayalı Nusselt sayısı için bu çalışmadan elde edilen doğrusal korelasyon şöyledir: Nu〗_o=α(〖Re〗_K 〖Pr〗_o) (3) Burada α, 10 PPI için 1.14 ve 40 PPI için 1.84 eşittir.
Özet (Çeviri)
In order to analyze transport phenomenon in metal foams two approaches are applied. These two approaches are microscopic and volume-averaged analysis. Due to complex structure of porous materials, pore-scale analysis is difficult. Therefore, volume averaging method is widely used to study flow and heat transfer in metal foams. Volume averaging the microscopic energy equation gives rise to two extra terms named as thermal dispersion and thermal tortuosity. Thermal dispersion conductivity is an important factor affecting the heat transfer. Therefore, understanding the phenomenon of thermal dispersion plays an important role in the analysis of convective heat transfer in porous media In this study numerical simulation using the commercial CFD software“COMSOL”is conducted to determine thermal dispersion conductivity for steady water flow through circular pipes filled with aluminum alloy 6101-T6 foam subjected to constant heat flux q^''=15,518 (W/m^2) for low flow rates (below 15 g/s) and q^''=26,865 (W/m^2) for higher flow rates from outside surface. The analysis is done for 10 and 40 PPI aluminum foam having same porosity of 88.5%. Total ten simulations are conducted for each foam type with various inlet velocities covering both Darcy and Forchheimer regimes. Local thermal equilibrium is assumed for this work. The one energy equation coupled with the volume averaged momentum equation is solved in order to obtain temperature distribution in computational domain. The flow condition and thermophysical properties of numerical simulation is same with experimental conditions reported in the literature. Thermal dispersion conductivity is ascertained through an iterative trial and error approach. The overall thermal conductivity is adjusted for specific inlet velocities to achieve a reasonable agreement between numerical and experimental results obtained in the literature for both wall temperature and local Nusselt number. The iterative process is terminated when deviation between numerical and experimental data is below 3% in thermally developed region. It is observed that numerical and experimental results are in a good agreement verifying the numerical simulation method. The dispersion conductivity is calculated to be around 150 percent of the effective conductivity in Forchheimer regime while this number is around 90 percent for Darcy flow. Therefore, it can be concluded that effect of dispersion conductivity is more significant in higher velocities. It is found that the slope of changes of dispersion conductivity is higher in Darcy velocity range while in Forchheimer velocity range, dispersion conductivity value remains almost constant for the same outer heat flux. Linear trend between overall Nusselt number and 〖Re〗_K 〖Pr〗_o is observed. The slope of linear trend is different for Darcy and Forchheimer regimes. Additionally, overall Nusselt number is higher for 40 PPI metal foam indicating that 40 PPI produces higher heat transfer than 10 PPI.
Benzer Tezler
- An experimental and numerical study on interfacial convective heat transfer coefficient and thermal dispersion conductivity of a periodic porous medium under mixed convection heat transfer
Karışık taşınımla ısı transferı̇ne maruz kalan perı̇yodı̇k gözeneklı̇ bı̇r yapının arayüzey ısı taşınım katsayısı ve ısıl dı̇spersı̇yon ı̇letı̇mı̇ üzerı̇nde deneysel ve sayısal bı̇r çalışma
HASAN ÇELİK
Doktora
İngilizce
2017
Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ÜNVER ÖZKOL
DOÇ. DR. MOGHTADA MOBEDI
- An experimental and numerical study on effects of pore to throat size ratio on macroscopic transport parameters in porous media
Gözenekli yapılarda gözenek ile boğaz arasındaki büyüklük oranının makroskopik taşınım parametrelerine etkisi üzerine deneysel ve teorik bir çalışma
TÜRKÜLER ÖZGÜMÜŞ
Doktora
İngilizce
2015
Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MOGHTADA MOBEDİ
YRD. DOÇ. DR. ÜNVER ÖZKOL
- Experimental and numerical study on determination of macroscopic thermal properties of 3d lattice metal frame for heat transfer enhancement
Başlık çevirisi yok
AHMET GÜRAY ÇAKET
- Boyalara ve kaplamalara nano metal oksit katkısının fiziksel, antikorozif ve antibakteriyel etkilerinin incelenmesi
Determination of physical, antiorrosive and antibacterial effects of nano metal oxide additives to paints and coatings
EZGİ KIZILKONCA DURAN
- Türkiye'deki geleneksel ahşap çerçeve sistem konut yapılarında dış duvarların ısıl ve nemsel performansının değerlendirilmesi
Hygrothermal performance assessment of exterior walls of traditional timber framed houses in Türkiye
SEDA NUR ALKAN
Doktora
Türkçe
2023
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FATİH YAZICIOĞLU