Uzatılmış jet çarpmalı soğutmada dalgalı hedef yüzeyin ısı geçişine etkisinin nümerik olarak incelenmesi
Numerical investigation of the effect of wavy target surface on heat transfer in extended jet impact cooling
- Tez No: 988301
- Danışmanlar: DOÇ. DR. UFUK DURMAZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Sakarya Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Gaz türbinleri, modern enerji üretim sistemlerinin en önemli bileşenlerinden biri olup, yüksek sıcaklıklarda çalışan ve sürekli gelişen mühendislik uygulamaları arasında özel bir yere sahiptir. Türbin verimliliğini artırmanın en etkili yollarından biri, türbin girişindeki akışkan sıcaklığının yükseltilmesidir. Ancak bu durum, türbin kanatlarının imalatında kullanılan süper alaşım malzemelerin termal dayanım sınırları ile doğrudan kısıtlanmaktadır. Günümüzde malzeme teknolojisinde yaşanan ilerlemelere rağmen, mevcut malzemelerin dayanabileceği sıcaklık limitleri, gaz türbinlerinin çalışma koşullarında karşılaşılan sıcaklıklardan daha düşüktür. Bu nedenle, türbin kanatlarının etkin bir biçimde soğutulması hem malzeme bütünlüğünün korunması hem de sistemin uzun süre yüksek verimle çalışabilmesi açısından kritik bir öneme sahiptir. Gaz türbini kanatlarının geometrisi, akış koşullarına bağlı olarak oldukça karmaşık bir yapı sergiler. Kanat boyunca sıcaklık ve ısı akısı dağılımı homojen değildir; bu nedenle farklı bölgelerde farklı soğutma tekniklerinin uygulanması gerekir. Kanadın orta kısımlarında iç kanallar aracılığıyla konvektif soğutma sağlanırken, dış yüzeylerde genellikle film soğutma teknikleri tercih edilir. Kanadın arka bölgesinde pin-fin (çivili yüzey) soğutma kullanılırken, özellikle kanadın ön kenarında yer alan ve sıcak gaz akımıyla doğrudan temas eden bölgelerde jet çarpmalı soğutma yöntemi uygulanmaktadır. Jet çarpmalı soğutma, yüksek lokal Nusselt sayıları üretebilmesi sayesinde hem gaz türbinlerinde hem de elektronik ekipmanların termal yönetiminde ve güneş enerjisi yoğunlaştırıcı sistemlerinde yaygın biçimde kullanılmaktadır. Jet çarpmalı soğutma sistemlerinde hedef yüzey geometrisi, akış yapısı ve ısı transferi üzerinde belirleyici bir etkiye sahiptir. Literatürde yapılan birçok çalışmada, hedef yüzey genellikle düz olarak kabul edilmiş; dalgalı veya pürüzlü yüzeylerin ısı transferine olan etkisi sınırlı biçimde incelenmiştir. Ancak hedef yüzey geometrisinin değiştirilmesi, akışın karakteristiğini doğrudan etkilemekte; bu da yerel türbülans yoğunluğunun ve vorteks oluşumlarının artmasına yol açmaktadır. Böylelikle ısı transfer katsayısında anlamlı bir artış sağlanabilmektedir. Dalgalı yüzeyler, jetin yüzeye çarptıktan sonra yayılma davranışını değiştirerek, akışın yönünü ve hız dağılımını dinamik olarak etkilemekte, bu da ısı transferinin hem büyüklüğünü hem de dağılımını değiştirmektedir. Bu tez çalışmasında, jet çarpmalı soğutmada dalgalı hedef yüzey geometrisinin ısı geçişine etkisi sayısal yöntemlerle incelenmiştir. Çalışmanın amacı, hedef yüzeyde dalga formunun (tepe, çukur, sağ veya sol yönlü) ısı transfer katsayısı üzerindeki etkisini belirlemek ve bu geometrilerin akış yapısına olan katkısını ortaya koymaktır. Çalışma, tek sıralı jet (j) dizilimi ile gerçekleştirilmiş olup, jet sayısı 6 olarak belirlenmiştir. Jet çıkış hızı 48,75 m/s, Reynolds sayısı ise Re = 32.500 olarak sabitlenmiştir. Bu sabit akış koşulları altında, sekiz farklı hedef yüzey modeli analiz edilmiştir: 1. Base modeli (düz yüzey) 2. A1 modeli (tepe tipi dalgalı) 3. A2 modeli (sürekli tepe tipi dalgalı) 4. B1 modeli (sol yönlü dalgalı) 5. C1 modeli (sağ yönlü dalgalı) 6. C2 modeli (sürekli sağ yönlü dalgalı) 7. D1 modeli (çukur tipi dalgalı) 8. D2 modeli (sürekli çukur tipi dalgalı) Her bir modelde dalga yüksekliği (A) ve dalga boyu (λ) farklı geometrik oranlarda belirlenmiştir. Bu modellerin oluşturulması, jet akışının hedef yüzeye çarpma ve yayılma davranışını daha iyi gözlemleyebilmek amacıyla yapılmıştır. Akış, sıkıştırılamaz, kararlı (steady) ve türbülanslı olarak modellenmiştir. Türbülans modellemesi için k-ω SST (Shear Stress Transport) modeli tercih edilmiştir. Bu modelin, özellikle jet çarpmalı akışlarda sınır tabakası ayrılması ve yeniden yapışma bölgelerini doğru bir şekilde tahmin ettiği literatürde kanıtlanmıştır. Analizlerde, öncelikle ağ (mesh) bağımsızlık çalışması yapılmış, elde edilen sonuçların ağ yoğunluğuna bağlı değişim göstermemesi sağlanmıştır. Ardından H/D oranı (nozul-hedef yüzey mesafesi / jet çapı) sabit tutularak akış yapısının yalnızca yüzey geometrisinden etkilendiği bir yapı oluşturulmuştur. Çözümler, konverjans kriterleri sağlanıncaya kadar tekrarlanmış ve her bir model için akış alanı, sıcaklık dağılımı ve yerel Nusselt sayıları ayrı ayrı değerlendirilmiştir. Elde edilen sayısal sonuçlar, hedef yüzey geometrisinin ısı transfer performansı üzerinde oldukça belirgin bir etkisi olduğunu göstermiştir. Düz hedef yüzey (Base modeli) referans alınarak yapılan karşılaştırmalarda, dalgalı yüzeylerin tamamında daha yüksek ortalama Nusselt sayıları elde edilmiştir. Dalgalı yüzeylerin oluşturduğu geometrik değişkenlik, jetin hedef yüzeye çarptıktan sonra yön değiştirmesine, yüzey üzerinde güçlü ikincil akımların ve vorteks yapıların oluşmasına neden olmuştur. Özellikle tepe tipi (A1, A2) modellerde, jet akışının dalga tepelerinden yüzey boyunca kayması sonucu yerel hız gradyenleri artmış, bu da ısı transfer katsayısında belirgin bir yükseliş sağlamıştır. Sürekli dalgalı modeller (A2, C2, D2), jetin akış yönünü daha düzenli biçimde değiştirmesine ve enerjinin daha geniş bir yüzey alanına yayılmasına olanak tanımıştır. Bu nedenle, bu modellerde elde edilen ortalama Nusselt sayıları, periyodik olmayan modellere kıyasla daha yüksek bulunmuştur. Özellikle C2 modeli (sürekli sağ yönlü dalgalı), akış yönü ile dalga yönünün aynı hizada olması nedeniyle jetin yönlendirilmesini kolaylaştırmış ve hedef yüzey boyunca daha dengeli bir sıcaklık dağılımı oluşturmuştur. Çukur tipli (D1, D2) yüzeylerde ise jet akışının bir kısmı dalga çukurlarında hapsolmuş, bu bölgelerde yerel türbülans ve döngüsel akımlar oluşmuştur. Bu durum, belirli bölgelerde ısı transferini artırmasına karşın, diğer bölgelerde akış zayıflaması nedeniyle ortalama Nusselt sayısında sınırlı bir artış sağlamıştır. Buna rağmen, bu modeller de düz yüzeye kıyasla daha yüksek ısı transfer performansı göstermiştir. Elde edilen sonuçlara göre, dalgalı yüzeylerin tamamı düz yüzeye göre %10 ila %35 arasında değişen oranlarda ısı transfer artışı sağlamıştır. Dalga yüksekliği arttıkça akışın yüzeyle etkileşimi güçlenmiş, türbülans enerjisi artmış ve buna bağlı olarak ısı transfer katsayısı yükselmiştir. Ancak aşırı yüksek dalga oranlarında, jet akışının yüzeye çarpma davranışında kararsızlık gözlemlenmiş, bu da belirli bölgelerde ısı transferinin azalmasına neden olmuştur. Dolayısıyla optimum dalga yüksekliği ve dalga boyu oranlarının belirlenmesi, ısı transfer performansını en üst seviyeye çıkarmak açısından kritik öneme sahiptir. Sonuç olarak, bu tez çalışması kapsamında gerçekleştirilen sayısal analizler, jet çarpmalı soğutma sistemlerinde hedef yüzey geometrisinin ısı transfer performansı üzerinde doğrudan belirleyici bir etkiye sahip olduğunu ortaya koymuştur. Dalgalı hedef yüzeyler, akış alanında türbülansı artırarak ve jetin enerjisini yüzey boyunca daha etkin dağıtarak, düz yüzeylere kıyasla daha yüksek ısı transfer katsayısı elde edilmesini sağlamaktadır. Özellikle sürekli dalgalı geometriler hem akış kararlılığını korumuş hem de daha homojen sıcaklık dağılımı oluşturmuştur. Bu çalışma, jet çarpmalı soğutma sistemlerinin tasarımında yüzey geometrisinin optimize edilmesinin, pasif ısı transfer artırımı açısından son derece etkili bir yöntem olduğunu göstermektedir. Elde edilen bulgular, gaz türbini kanatlarının soğutulması, elektronik bileşenlerin termal yönetimi ve yüksek ısıl yük altındaki sistemlerin tasarımı gibi mühendislik uygulamalarında kullanılabilecek değerli veriler sunmaktadır. Böylelikle, dalgalı yüzey geometrisinin optimize edilmesiyle hem sistem verimliliği hem de malzeme dayanımı artırılabilir, bu da gelecekteki enerji sistemlerinin daha güvenli ve verimli çalışmasına katkı sağlar.
Özet (Çeviri)
Gas turbines are among the most critical components of modern energy generation systems, operating at high temperatures and occupying a unique position in advanced engineering applications. One of the most effective ways to enhance turbine efficiency is by increasing the temperature of the working fluid at the turbine inlet. However, this is directly constrained by the thermal limits of the superalloy materials used in turbine blade manufacturing. Despite advances in material technology, the maximum temperatures that current materials can withstand remain below the operating temperatures encountered in gas turbines. Therefore, effective cooling of turbine blades is essential to preserve material integrity and ensure sustained high-efficiency performance of the system. The geometry of gas turbine blades exhibits considerable complexity depending on the flow conditions. Temperature and heat flux distributions along the blade are non-uniform, necessitating the application of different cooling techniques in different regions. Convective cooling through internal channels is commonly employed in the mid-span regions, while film cooling techniques are typically applied on external surfaces. Pin-fin cooling is used on the trailing edge, whereas jet-impingement cooling is implemented particularly on the leading-edge regions directly exposed to hot gas flow. Jet-impingement cooling is widely used in gas turbines, electronic thermal management, and concentrated solar power systems due to its ability to generate high local Nusselt numbers. In jet-impingement cooling systems, the target surface geometry has a significant influence on the flow structure and heat transfer. Most studies in the literature have assumed flat target surfaces, and the effects of wavy or roughened surfaces on heat transfer have been only partially investigated. However, modifying the target surface geometry directly affects the flow characteristics, increasing local turbulence intensity and vortex formation, which can substantially enhance heat transfer. Wavy surfaces alter the spreading behavior of the jet upon impact, dynamically affecting flow direction and velocity distribution, thereby modifying both the magnitude and distribution of heat transfer. In this thesis, the effect of wavy target surface geometries on heat transfer in jet-impingement cooling is investigated numerically. The study aims to determine the influence of wave forms (peak, valley, leftward, or rightward) on heat transfer coefficients and to assess their contributions to the flow structure. The analysis was conducted using a single-row jet arrangement with six jets. The jet exit velocity was set to 48,75 m/s, and the Reynolds number was fixed at Re = 32,500. Under these constant flow conditions, eight different target surface models were analyzed: • Base model (flat surface) • A1 model (peak-type wavy) • A2 model (continuous peak-type wavy) • B1 model (leftward wavy) • C1 model (rightward wavy) • C2 model (continuous rightward wavy) • D1 model (valley-type wavy) • D2 model (continuous valley-type wavy) For each model, wave height (A) and wavelength (λ) were defined with different geometric ratios to better observe jet impingement and spreading behavior. The simulations were performed using ANSYS Fluent via Computational Fluid Dynamics (CFD) methodology. The flow was modeled as incompressible, steady, and turbulent, with the k-ω SST (Shear Stress Transport) turbulence model employed due to its proven ability to accurately predict boundary layer separation and reattachment in jet-impingement flows. Mesh independence studies were conducted to ensure that results were not sensitive to mesh density. The H/D ratio (nozzle-to-target distance / jet diameter) was kept constant so that flow behavior depended solely on surface geometry. Solutions were iterated until convergence criteria were satisfied, and flow fields, temperature distributions, and local Nusselt numbers were evaluated for each model. The numerical results demonstrated a pronounced effect of target surface geometry on heat transfer performance. Compared to the flat Base model, all wavy surfaces exhibited higher average Nusselt numbers. Geometric variations induced by the wavy surfaces caused the jet to change direction after impact, generating strong secondary flows and vortical structures. In particular, peak-type models (A1, A2) showed increased local velocity gradients as the jet slid over the wave peaks, resulting in a notable enhancement in heat transfer coefficients. Continuous wavy models (A2, C2, D2) allowed the jet to redirect more systematically and spread energy over a wider surface area, resulting in higher average Nusselt numbers than their non-continuous counterparts. Specifically, the C2 model (continuous rightward wavy) facilitated jet alignment with the flow direction, producing a more uniform temperature distribution across the target surface. Valley-type surfaces (D1, D2) trapped part of the jet flow in wave troughs, creating local turbulence and recirculation zones. While this enhanced heat transfer in certain areas, flow weakening in other regions limited the overall increase in average Nusselt number. Nevertheless, these models still outperformed the flat surface in terms of heat transfer. Overall, wavy surfaces provided a 10–35% increase in heat transfer relative to flat surfaces. Increasing wave height strengthened jet-surface interactions, enhanced turbulence energy, and consequently increased heat transfer coefficients. However, excessively high wave amplitudes caused instabilities in jet impingement behavior, reducing heat transfer in localized regions. Therefore, determining the optimal wave height and wavelength is critical for maximizing heat transfer performance. In conclusion, the numerical analyses conducted in this study indicate that target surface geometry plays a decisive role in the heat transfer performance of jet-impingement cooling systems. Wavy surfaces enhance turbulence and more effectively distribute jet energy across the surface, resulting in higher heat transfer coefficients compared to flat surfaces. Continuous wavy geometries, in particular, maintained flow stability while providing more uniform temperature distributions. This work demonstrates that optimizing surface geometry is a highly effective passive method for enhancing heat transfer in jet-impingement cooling systems. The findings offer valuable insights for the cooling of gas turbine blades, thermal management of electronic components, and the design of high-heat-flux systems, contributing to improved system efficiency and material durability in future energy technologies
Benzer Tezler
- Lüleli jet çarpmalı soğutmada kanatçık açılarının ısı transferi ve akış karakteristiklerine etkisinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of the effect of fin angles on heat transfer and flow characteristics in jet impinging cooling using nozzles
ONUR CAN ARAS
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiKarabük ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KAMİL ARSLAN
- Çarpmalı jet ve rib kullanımının kanal yüzeyindeki soğutma performansına etkilerinin araştırılması
Investigating the effect of impinging jet and rib usage on the cooling performance of the channel surface
ORHAN YALÇINKAYA
- Gaz türbin kanatlarında jet çarpmalı soğutmanın deneysel ve sayısal incelenmesi
Experimental and numerical investigation of jet impingement cooling on gas turbine blade
AHMET ÜMİT TEPE
Doktora
Türkçe
2019
Uçak MühendisliğiKarabük ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YAŞAR YETİŞKEN
- Optimum design of attenuator of spun-bond production system
Spunbond-nanolif-spunbond (SNS) teknolojisi ile nitelikli hava filtresi üreten bir sistemin çekici ünitesinin tasarımı ve geliştirilmesi
NASSER GHASSEMBAGLOU
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HİKMET KOCABAŞ
- Elektro üfleme yöntemiyle üretilen poliviniliden florür (PVDF) nanoliflerin elektrostatik filtreleme özelliklerinin iyileştirilmesi
Improving electrostatic filtration performance of polyvinylidine fluoride (PVDF) nanofibers produced via electro blowing method
MERVE NUR SAĞIRLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ KILIÇ