Experimental and numerical investigation of natural convection heat transfer of semicircular-finned radial heat sink at various mounting angles
Çeşitli montaj açilarinda yarim dairesel kanatli radyal isi emicinin doğal konveksiyon isi transferinin deneysel ve sayisal araştirmasi
- Tez No: 930560
- Danışmanlar: PROF. DR. ABDULRAZZAK AHMED SALEH AKROOT, PROF. DR. TAHSEEN AHMAD TAHSEEN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Karabük Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 135
Özet
Kanatçık şeklinin serbest konveksiyon altındaki ısı alıcılar üzerindeki etkisi hem sayısal hem de deneysel olarak araştırılmıştır. Yarı dairesel kanatçık ısı alıcılarının termoakışkan özellikleri üç boyutlu sayısal simülasyonlar kullanılarak analiz edilmiştir. Parametrik çalışmalar, geometrik parametrelerin (özellikle yönlendirme açıları: 0°, 15° ve 30°) ve giriş ısı yüklerinin etkilerini incelemek amacıyla gerçekleştirilmiştir. Yapısal, gayri-uniform bir hesaplama ağı kullanılmış ve simülasyonlar Finite Volume Method (FVM) temel alınarak ANSYS Fluent 2021R2 yazılımında gerçekleştirilmiştir. Sayısal simülasyonlarda 210 mm çapında yarı dairesel bir kanatçık kullanılmıştır. Deneysel olarak, en iyi referans modelini belirlemek için üç farklı ısı alıcı modeli (SC-0, SC-40 ve SC-50) karşılaştırılmıştır. Çalışmada, kanatçık şeklinin, sayısının ve ısı akışının termal direnç ve toplam ısı transfer katsayısı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Parametrik çalışma, deney tasarımı (DOE) yaklaşımını kullanarak 18 deneyin tasarımı ve uygulanması, ampirik model analizi ve faktör optimizasyonunu içermiştir. Optimizasyon, faktör aralıklarının +1 ve -1 arasında kodlandığı ve bağımsız değişkenlerin birimleri arasında değişkenlik olduğu genel faktöriyel tasarım (GFD) çerçevesinde gerçekleştirilmiştir. GFD kullanılarak, Nusselt sayısı ve termal direnç dahil edilmiş ve yeni bir model türetmek için regresyon analizi uygulanmıştır. Literatürdeki doğal konveksiyon altındaki yarı dairesel radyal kanatçıklarla ilgili deneysel veriler de çalışmaya dahil edilmiştir. En iyi transfer fonksiyonunu belirlemek için temel faktörler R², düzeltilmiş R², tahmin edilen R², değişim katsayısı (C.V.) ve parametrelerin optimum değerlere yakınlığıdır. Sonuçlar, hava akış hızının 0° yönlendirme açısında daha yüksek olduğunu göstermiştir. Ancak bu açıda hava akışı kanatçıklara paralel hareket ettiğinden, kanatçıklardan minimum engelleme oluşmuş ve bu durum ısı transfer katsayısının 15° ve 30°'lik açılara göre sırasıyla %3,9 ila %7,3 daha düşük olmasına neden olmuştur. Nusselt sayısının en yüksek değeri 30° yönlendirme açısında gözlemlenmiştir. Deneysel olarak, ısı transfer katsayısının SC-0 ile SC-40 arasında %30'a, SC-0 ile SC-50 arasında ise %27'ye kadar arttığı belirlenmiştir. Ayrıca, SC-40 için termal direncin %17, SC-50 için ise %19 daha düşük olduğu görülmüştür. Daha fazla sayıda kanatçık, doğal konveksiyon altında daha etkili bir ısı dağılımı sağlamıştır. CFD simülasyon sonuçları ile deneysel veriler arasında ±%4,9 içinde bir sıcaklık farkı ile güçlü bir uyum gözlemlenmiştir. DOE sonuçları, Nusselt sayısı için en iyi performansın R² (%98,15), tahmin edilen R² (%97,08), düzeltilmiş R² (%94,87) ve C.V. (%2,44) ile elde edildiğini göstermiştir. Termal direnç için ise karşılık gelen değerler R² (%97,91), tahmin edilen R² (%96,70), düzeltilmiş R² (%94,21) ve C.V. (%3,33) olarak bulunmuştur. Bu bulgular, önerilen modelin yarı dairesel radyal ısı alıcılarının performansını doğru bir şekilde tahmin ettiğini ve gelecekteki tasarımlar için umut vadettiğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
The effect of fin shapes in heat sinks under free convection was investigated both numerically and experimentally. The thermofluid characteristics of semicircular fin heat sinks were analyzed using three-dimensional numerical simulations. Parametric studies were conducted to examine the effects of geometrical parameters, particularly orientation angles (0°, 15°, and 30°) and input heat rates. A structured, non-uniform computational mesh was employed, and numerical simulations were performed using ANSYS Fluent 2021R2, based on the Finite Volume Method (FVM). A 210-mm diameter semicircular fin was used in the CFD simulations. Experimentally, three heat sink models (SC-0, SC-40, and SC-50) were compared to identify the optimal reference model. The study investigated the impact of fin shape, fin number, and heat flow on thermal resistance and the overall heat transfer coefficient. The parametric study applied a design of experiments (DOE) approach, including the design and execution of 18 experiments, empirical model analysis, and factor optimization. Optimization followed a general factorial design (GFD) framework, where factor ranges were coded between +1 and -1, with adjustments for unit variability across independent variables. Using GFD, regression analysis was applied to derive a new model, incorporating Nusselt number and thermal resistance. Experimental data from the literature on semicircular radial fins under natural convection were included. Key determinants for the best transfer function were R², adjusted R², predicted R², coefficient of variation (C.V.), and parameter proximity to optimal values. Results showed that airflow velocity was higher at a 0° orientation angle. However, airflow parallel to the fins at this angle caused minimal obstruction, resulting in a heat transfer coefficient 3.9% to 7.3% lower than those at 15° and 30°, respectively. The Nusselt number was highest at the 30° orientation. Experimentally, the heat transfer coefficient increased by up to 30% between SC-0 and SC-40, and 27% between SC-0 and SC-50, while thermal resistance was 17% lower for SC-40 and 19% lower for SC-50 compared to SC. A larger number of fins enhanced heat dissipation under natural convection. CFD simulation results closely matched experimental data, with temperature differences within ±4.9%, indicating strong qualitative agreement. DOE results revealed the best performance for the Nusselt number with R² (98.15%), predicted R² (97.08%), adjusted R² (94.87%), and C.V. (2.44%). For thermal resistance, the corresponding values were R² (97.91%), predicted R² (96.70%), adjusted R² (94.21%), and C.V. (3.33%). These findings demonstrate that the proposed model accurately predicts the performance of semicircular radial heat sinks and holds promise for future designs.
Benzer Tezler
- 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
- 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
- Hava menfezli kapalı hacimlerde akışkan hareketi ve ısı transferinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of fluid flow and heat transfer in ventilated cavities and closed volume
ÖMER BAYKARA
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
EnerjiFırat ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET KOCA
- Nanoakışkanlarda doğal taşınımla ısı transferinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of natural heat convection in nanofluids
AHMET DİRLİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE FİLİZ BAYTAŞ
- Investigation of natural convection heat transfer over inclined isothermal plate
Sabit sıcaklıkta eğimli plaka üzerinde doğal ısı taşınımının incelenmesi
HAKAN ÖZCAN
Yüksek Lisans
İngilizce
1999
Makine MühendisliğiGaziantep ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SAİT SÖYLEMEZ