Karışık taşınım ile olan ısı transferinin farklı geometrideki akış engelleri kullanılarak iyileştirilmesinin sayısal olarak incelenmesi

Year 2023, Volume: 38 Issue: 3, 1805 - 1820, 06.01.2023

Sedat Özdemir Mustafa Kılıç Tamer Çalışıır Şenol Başkaya

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1008154

Abstract

Bu çalışmada; içinde ısı akısına sahip, farklı konum ve geometride engeller bulunan dik bir kanaldaki karışık konveksiyonun ısı transferine ve akış özelliklerine etkisi sayısal olarak incelenmiştir. Engellerin konumları, sayıları ve geometrileri değiştirilerek ısı transferine ve akış özelliklerine etkisi belirlenmeye çalışılmıştır. Çalışmada, alt alta bulunan iki yarı silindirik engelin, alt alta ve karşılıklı bulunan dört yarı silindirik engelin ve alt alta ve karşılıklı bulunan dört dikdörtgen engelin karışık konveksiyonla olan akış ve ısı transferine etkileri irdelenmiştir. Sonuç olarak; Nusselt sayısının, engellerin birbirine olan uzaklıklarının (L/D oranı) ve doğal taşınım etkilerinin (Ri sayısı) artmasıyla genel olarak arttığı tespit edilmiştir. Her iki engel geometrisinde (yarı silindirik engel ve dikdörtgen engel) L/D oranının ve değiştirilmiş Ri sayısının arttırılmasının Nusselt sayısına olan etkisinin benzer olduğu ve ısı transferini arttırdığı tespit edilmiştir. Yarı silindirik engeldeki Nusselt değerlerinin dikdörtgen engeldeki Nusselt değerlerine kıyasla daha büyük olduğu belirlenmiştir. Yarı silindirik engeldeki Nusselt değerlerinin dikdörtgen engeldeki Nusselt değerlerinden farkının; engeller arası mesafenin az olduğu (L/D=0,25) değer için; düşük Ri sayılarında (Ri=50) %72,5 iken yüksek Ri sayılarında (Ri=200) %19,6 olduğu tespit edilmiştir. Bu fark; engeller arası mesafenin çok olduğu (L/D=1,5) değer için; düşük Ri sayılarında (Ri=50) %58,6 iken yüksek Ri sayılarında (Ri=200) %39,1 olduğu tespit edilmiştir. Her iki engel geometrisinde de en yüksek Nu sayısının L/D= 1,5 ve Ri=200 olduğu durumda meydana geldiği belirlenmiştir. Ayrıca; çalışmada Nu sayısı için bir korelasyon elde edilmiştir. Sayısal çalışmanın sonuçları literatürde bulunan deneysel çalışmalarla da karşılaştırılarak; sıcaklık dağılımını ve akış özelliklerini iyi şekilde temsil edebildiği görülmüştür.

Keywords

Kanal akışı, karışık taşınım, engel geometrisi, hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD)

References

• [1] Adachi T., Uehara H., Correlation between heat transfer and pressure drop in channels with periodically grooved parts, International Journal of Heat and Mass Transfer, 44 (22), 4333-4343, 2001.
• [2] Auletta A., Manca O., Morrone B., Naso V., Heat transfer enhancement by the chimney effect in a vertical isoflux channel, International Journal of Heat and Mass Transfer, 44, 4345–4357, 2001.
• [3] Barletta A., Zanchini E., On the choice of the reference temperature for fully developed mixed convection in a vertical channel, International Journal of Heat and Mass Transfer, 42, 3169–3181, 1999.
• [4] Boutina L., Bessaih R., Numerical simulation of mixed convection air-cooling of electronic components mounted in an inclined channel, Applied Thermal Engineering, 31(11-12), 2052-2062, 2011.
• [5] Forooghi P., Hooman K., Effect of buoyancy on turbulent convection heat transfer in corrugated channels a numerical study, International Journal of Heat and Mass Transfer, 64, 850–862, 2013.
• [6] Hamouche A., Bessaih R., Mixed convection air cooling of protruding heat sources mounted in a horizontal channel, International Communications in Heat and Mass Transfer, 36(8), 841-849, 2009.
• [7] Jang J. H., Yan W. M., Mixed convection heat and mass transfer along a vertical wavy surface, International Journal of Heat and Mass Transfer, 47 (3), 419-428, 2004.
• [8] Mills Z. G., Warey A., Alexeev A., Heat transfer enhancement and thermal-hydraulic performance in laminar flows through asymmetric wavy walled channels, International Journal of Heat and Mass Transfer, 97, 450-460, 2016.
• [9] Moukalled F., Doughan A., Acharya S., Parametric study of mixed convection in channels with concave and convex surfaces, International Journal of Heat and Mass Transfer, 43, 1947-1963, 2000.
• [10] Rao G., Narasimham G., Laminar conjugate mixed convection in a vertical channel with heat generating components, International Journal of Heat and Mass Transfer, 50, 3561–3574, 2007.
• [11] Tanda G., Heat transfer in rectangular channels with transverse and v-shaped broken ribs, International Journal of Heat and Mass Transfer, 47, 229–243, 2004.
• [12] Kilic M., Baskaya Ş., Improvement of heat transfer from high heat flux surfaces by using vortex promoters with different geometries and impinging jets‎, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 32 (3), 693-707, 2017.
• [13] Çalışır T., Çalışkan S., Kilic M., Başkaya S., Numerical investigation of flow field on ribbed surfaces using impinging jets, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 32 (1), 119-130, 2017.
• [14] Wahba E., Mixed convection flows in a vertical plane duct preceded by a sudden expansion, International Journal Numeric Method Heat Fluid Flow, 21, 399–417, 2011.
• [15] Rosas I. Y., Treviño C., Suástegui L., Experimental study of mixed convection heat transfer in a vertical channel with a one-sided semi cylindrical constriction with prescribed heat flux, International Journal of Heat and Fluid Flow, 67, 155-167, 2017.
• [16] Kilic M., Calisir T., Baskaya Ş., Experimental and numerical investigation of vortex promoter effects on heat transfer from heated electronic components in a rectangular channel with an impinging jet‎, Heat Transfer Research, 48 (5), 435-463, 2017.
• [17] Young T., Vafai K., Experimental and numerical investigation of forced convective characteristics of arrays of channel mounted obstacles, ASME Journal Heat Transfer, 121, 34–42, 1999.
• [18] Kilic M., A numerical analysis of transpiration cooling as an air cooling mechanism, Heat and Mass Transfer/Waerme- und Stoffuebertragung, 54(12), 3647–3662, 2018.
• [19] Kilic M., Numerical investigation of heat transfer from a porous plate with transpiration cooling, Journal of Thermal Engineering, 4(1), 1632-1647, 2018.
• [20] Young T., Vafai K., Convective cooling of a heated obstacle in a channel, International Journal Heat and Mass Transfer, 41, 3131–3148, 1998.
• [21] Simcenter FLOEFD, Technical Reference Software Version 2020, 2020.