Numerical Investigation of Hydrodynamic and Thermal Boundary Layer Flows over a Flat Plate and Transition Control

Abstract

In this study, Computational Fluid Dynamics (CFD) calculations are performed with ANSYS-Fluent for an external flow over a flat plate under constant surface temperature conditions. By using an Active Flow Control (AFC) method, the flat-plate is heated to manipulate the transition region. Calculations are performed for a steady and turbulent flow at 15 m/s free-stream velocity. Local skin friction coefficient and local heat transfer coefficient distributions along the flat-plate are investigated for laminar and turbulent boundary layers at various constant surface temperatures. For laminar and turbulent flow boundary layer characteristics, theoretical correlations in the literature are used to verify the numerical results. Results show that theoretical correlations are highly consistent with CFD results only in the laminar and turbulent regions and it is also shown that transition can only be predicted by CFD simulations.  On the other hand, heating as an AFC method is found to be useful in delaying transition regime over a flat plate. 

Keywords

• CFD
• Forced Convection
• Boundary Layer Flow
• Active Flow Control
• Transition Region Delay

Düz Bir Plaka Üzerindeki Hidrodinamik ve Isıl Sınır Tabaka Akışının Sayısal Olarak İncelenmesi ve Geçiş Kontrolü

Abstract

Bu çalışmada, düz bir plaka üzerindeki bir dış akış için sabit yüzey sıcaklığı koşulları altında ANSYS-Fluent yazılımı kullanılarak Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) hesaplamaları yapılmıştır. Bir Aktif Akış Kontrolü yöntemi olarak ısıtma, düz plaka geçiş bölgesini manipüle etmek için kullanılmıştır. Hesaplamalar, 15 m/s serbest akım hızında daimi ve türbülanslı bir akış için yapılmıştır. Düz plaka boyunca yerel sürtünme katsayısı ve yerel ısı transfer katsayısı dağılımları çeşitli sabit yüzey sıcaklıklarında, laminer ve türbülanslı sınır tabakaları için incelenmiştir. Laminer ve türbülanslı akış sınır tabakası karakteristiklerinin doğrulanması için literatürdeki teorik korelasyonlar kullanılmıştır. Sonuçlar, teorik korelasyonların sadece laminer ve türbülanslı bölgelerdeki HAD sonuçları ile oldukça tutarlı olduğunu ve ayrıca geçişin sadece HAD simülasyonları ile tahmin edilebileceğini göstermiştir. Öte yandan, bir Aktif Akış Kontrolü yöntemi olarak ısıtmanın, düz bir plaka üzerindeki geçiş rejimini geciktirmede faydalı olduğu bulunmuştur.

 

Keywords

• HAD
• Zorlanmış Taşınım
• Sınır Tabaka Akışı
• Aktif Akış Kontrolü
• Geçiş Bölgesinin Geciktirilmesi

References

1. Akansu Y.E., Ozmert M. and Firat E., (2011). The Effect of Attact Angle to Vortex Shedding Phemenon of Flow Around a Square Prism With a Flow Control Rod, J. of Thermal Science and Technology, 31, 1, 109-120.
2. Jahanmari M., (2010). Active Flow Control: A Review, Division of Fluid Dynamics, Department of Applied Mechanics, Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden.
3. Lachman G., (1961). Boundary layer and flow control, Vols. 1, 2. Oxford: Pergamon Press.
4. Gad el Hak M., (200). Flow Control: Active, Passive and Reactive Flow Management, Cambridge University Press.
5. Liepmann, H. W., Nosenchuck, D. M., (1982). Active Control of Laminar-Turbulent Transition, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 118, pp. 201–204.
6. Dovgal A.V., Levchenko V.Y.A. and Timofeev V.A., (1989). Boundary Layer Control by a Local Heating of the Wall, IUTAM Symposium on Laminar-Turbulent Transition, Toulouse, France.
7. Canbolat G., Yildizeli A., Kose H.A., Cadirci S., (2018). Numerical Investigation of Transitional Flow over a Flat Plate under Constant Heat Fluxes, 6th International Symposium on Innovative Technologies in Engineering and Science 09-11 November 2018 (ISITES2018 Alanya – Antalya - Turkey).
8. Subası A., Gunes H., (2015). Effect of wall heating on boundary layer transition over a flat plate, J. of Thermal Science and Technology.

9. Incropera, F. P., & DeWitt, D. P., (2013). Fundamentals of heat and mass transfer. New York: J. Wiley, 2002.
10. Turbulence Modelling, Introduction to ANSYS Fluent Tutorials.
11. F. R. Menter, R. B. Langtry, S. R. Likki, Y. B. Suzen, P. G. Huang, and S. Volker., (2004). A Correlation-Based Transition Model Using Local Variables: Part I — Model Formulation, ASME-GT2004-53452.