FARKLI DİZİLİMLERDE ÇOKLU ÇARPAN JETLER İLE PLAKA SOĞUTMASININ SAYISAL OLARAK İNCELEMESİ

Abstract

Bu çalışmada, iki farklı dizilim ile konumlandırılmış çoklu çarpan jetler ile gerçekleştirilen taşınımla ısı transferi Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemleri ile sayısal olarak incelenmiştir. Çözüm hacmi, hizalı veya şaşırtmalı olarak dizilmiş jetler, jet plakası, soğutulması hedeflenen plaka ve arada bulunan akış hacmini kapsamaktadır. Jet dizisi ile hedef plakası arasındaki mesafe H=28 mm olup, sabittir. Tüm dizilimlerde dairesel jet orifislerinin çapı sabit olup, D=5 mm'dir. Çalışma kapsamında jet Reynolds sayısının (Rej), ardışık jetler arasındaki mesafenin ve jet orifisleri dizilim tipinin aerotermal performans üzerindeki etkileri parametrik olarak incelenmiştir. Jet orifislerinin şaşırtmalı ve hizalı dizildiği durumlar için, Rej’nin 5000 ila 20000 arasında değiştiği ve ardışık orifisler arasındaki mesafenin orifis çapına oranının (s/D) 2 ila 6 arasında olduğu durumlar incelenmiştir. HAD hesaplamaları sonlu hacim yöntemi temelli ANSYS-Fluent akış çözücüsü kullanılarak yapılmıştır. Simülasyonlar sırasında, hal denklemleri için ideal gaz varsayımı ve viskozitenin sıcaklıkla değişimini ifade etmek için Sutherland yasası kullanılmıştır. HAD analizleri k-ω SST türbülans modeli kullanılarak sıkıştırılamaz, daimi ve türbülanslı akışlar için yapılmıştır. Çözüm ağından bağımsızlık ve doğrulama analizlerinin ardından uygun çözüm ağı belirlenmiş ve parametrik çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Çalışma, hedef plakanın soğutulmasında en baskın parametrenin Rej olduğunu, ardından jetler arasındaki mesafe ve son olarak jet dizilimi olduğunu ortaya koymaktadır. Jetlerin birbirine yakın olduğu durumlarda hizalı dizilimin, şaşırtmalı dizilime göre %15 civarında daha yüksek ısı transferi sağladığı görülmüştür. Buna karşılık ardışık jetlerin birbirinden uzak olduğu durumlarda hizalama tipinin ısıl performansına etkisinin görülmediği HAD analizleri ile ortaya konmuştur.

Keywords

• Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD)
• Çoklu çarpan jet
• Isı transferi iyileştirmesi

NUMERICAL INVESTIGATION OF PLATE COOLING USING MULTIPLE IMPINGING JETS IN DIFFERENT ALIGNMENTS

Abstract

In this study, convective heat transfer by multiple impinging jet arrays in different arrangements is numerically investigated using Computational Fluid Dynamics (CFD). Computational domain consists of multiple jet array either in inline or staggered alignment and a target plate to be cooled by impinging jets. Distance between the jet array and the target plate is kept constant at H=28 mm. Diameter of circular jet nozzles is fixed at D=5 mm for all configurations. Effects of jet Reynolds number (Rej), spacing between circular jets and the alignment of the jet nozzles on aerothermal performance are parametrically investigated in the scope of this study. For staggered and inline alignments of the jet nozzles, Rej ranges from 5000 to 20000 and the ratio of the spacing to the jet diameter (s/D) changes between 2 and 6. CFD calculations are performed using finite volume based ANSYS-Fluent flow solver. Simulations are conducted for incompressible, steady and turbulent flow using k-ω SST turbulence model with ideal gas assumption for density and Sutherland law for viscosity. After intensive mesh convergence and validation tests, appropriate mesh resolution is determined and parametric investigations are performed. The study reveals that most dominant parameter for plate cooling is Rej followed by spacing between jets and finally jet alignment. For all Rej, inline jet nozzle alignment provides 15% higher average heat transfer rate than staggered alignment when s/D is close to the lower limit. However, it is shown that jet alignment does not affect thermal performance when s/D is higher.

Keywords

• Computational Fluid Dynamics (CFD)
• Multiple impinging jets
• Heat transfer enhancement