Çeyrek Daire Kesit Yapay Pürüzlü Güneş Destekli Hava Isıtıcının Sayısal Analizi

Abstract

Güneş destekli hava ısıtıcılarının termal performansını artırmaya yönelik yapılan çalışmalarda, kanal akış yüzeyine tasarlanan yapay pürüzlülükler aracılığıyla türbülans seviyesi artırılarak ısı transferi iyileştirilmektedir. Bu kapsamda gerçekleştirilen sayısal incelemede, çeyrek daire kesitli yapay pürüzlülüklerin ısı transferi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Üç farklı pürüzlülük oranı (P/e = 10, 15 ve 20) ve yedi farklı Reynolds sayısı (4000–16000) altında yapılan analizler, yüzey geometrisinin ve akış koşullarının sistem performansı üzerinde belirleyici bir faktör olduğunu ortaya koymuştur. ANSYS Fluent yazılımı ile yürütülen hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) analizleri sonucunda, yapay pürüzlülüklerin Nusselt sayısı ve kanal çıkış sıcaklığı değerlerinde önemli artışlar sağladığı; pürüzlülük nedeniyle sürtünme faktöründe de artışa neden olduğu tespit edilmiştir. En yüksek termal iyileştirme oranı (TER = 1,515), P/e = 15 ve Re = 4000 değerine sahip tasarımda elde edilmiştir. Hava ısıtıcısında en yüksek kanal çıkış sıcaklığı 339,84 K ile yine P/e = 10 ve Re = 4000 tasarımda elde edilmiştir. Çalışma bulguları, çeyrek daire kesitli pürüzlülüklerin güneş destekli hava ısıtıcılarında ısı transferini artırmak için etkili bir yöntem sunduğunu göstermektedir.

Keywords

• Güneş destekli hava ısıtıcı
• CFD
• Isı transferi

Numerical Analysis of Artificially Quarter-circle Section Roughened Solar Air Heater

Abstract

In this study aimed at improving the thermal performance of solar air heaters, heat transfer is improved by increasing turbulence levels through artificial roughness designed into the flow channel surface. A numerical study was conducted to evaluate the effects of quarter-circle section artificial roughness on heat transfer. Analyses conducted under three different roughness ratios (P/e = 10, 15, and 20) and seven different Reynolds numbers (4000–16000) revealed that surface geometry and flow conditions are decisive factors in system performance. Computational fluid dynamics (CFD) analyses conducted with ANSYS Fluent software revealed that artificial roughness significantly increased the Nusselt number and outlet temperature, while also increasing the friction factor due to roughness. The highest thermal enhancement ratio (TER = 1,515) was obtained in the configuration with P/e = 15 and Re = 4000. The highest outlet temperature of 339,84 K in the air heater was also obtained in the configuration with P/e = 10 and Re = 4000. The findings indicate that quarter-circle section roughness provide an effective method for enhancing heat transfer in solar air heaters.

Keywords

• Solar air heater
• CFD
• Heat transfer

References

1. Agarwal A., Ilunga M., Tempa K., Humagai BK. CFD analysis of solar air heater using V-shaped artificial roughness to attain heat transfer enhancement. International Journal of Energy Production and Management 2024; https://doi.org/10.18280/ijepm.090306.
2. Ghanem SR., Bhosale AC. Honeycomb-shaped artificial roughness in solar air heaters: CFD-experimental insights into thermo-hydraulic performance. Renewable Energy 2024; 230: 120829. https://doi.org/10.1016.
3. Gill RS., Hans VS., Singh RP. Optimization of artificial roughness parameters in a solar air heater duct roughened with hybrid ribs. Applied Thermal Engineering 2021; 191. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.116871.
4. Koçer A. Kare kesit yapay pürüzlü güneş destekli hava ısıtıcı tasarımının sayısal analizi. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji 2022; 10(3): 504-518. https://doi.org/10.29109/gujsc.1089224.
5. Kocer A. Numerical investigation of heat transfer and thermo-hydraulic performance of solar air heater with different ribs and their machine learning-based prediction. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering 2024; 46(2): 1-16. https://doi.org/10.1007/S40430-023-04663-3.
6. Kumar B., Awasthi A., Lee J., Jeon Y. Numerical analysis of absorber tube shapes in PCM-integrated parabolic trough solar collectors. Case Studies in Thermal Engineering 2025; 66. https://doi.org/10.1016/j.csite.2025.105783.
7. Kumar R., Geol V., Kumar A. A parametric study of the 2D model of solar air heater with elliptical rib roughness using CFD. Journal of Mechanical Science and Technology 2017; 31(2): 959-964. https://doi.org/10.1007/S12206-017-0148-7.
8. Öztürk M., Çi̇ftçi̇ E., Değişken sayıda delikler içeren emici plakalara sahip güneş enerjili hava ısıtıcısının sayısal analizi. Gazi University Journal of Science Part C: Design and Technology 2023; 11(4): 1162-1170. https://doi.org/10.29109/GUJSC.1395961.

9. Parlange JY., Braddock RD., Sander G. Analytical approximations to the solution of the Blasius equation. Acta Mechanica 1981; 38(1-2): 119-125. https://doi.org/10.1007/BF01351467.
10. Pashchenko DI. ANSYS fluent CFD modeling of solar air-heater thermoaerodynamics. Applied Solar Energy (English translation of Geliotekhnika) 2018; 54(1): 32-39. https://doi.org/10.3103/S0003701X18010103/METRICS.
11. Raheem A., Khalid A., Siddique W., Salameh T., Waheed K., Haq I., Qureshi K. CFD analysis of novel two-pass, sinusoidal corrugated, trapezoidal channel for solar air heater. International Journal of Ambient Energy 2024; 45(1): 1-18. https://doi.org/10.1080/01430750.2024.2326161.
12. Sharma S., Singh R., Bhushan B. CFD based thermal efficiency of square shape protruded roughened absorber plate for solar air heater. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization and Environmental Effects 2021; https://doi.org/10.1080/15567036.2021.1908460.
13. Siddique W., Raheem A., Ali N., Salameh T., Waheed K., Haq I., Qureshi K., Akram, MS. Numerical investigation of thermal performance factor in dimpled-solar air heater (SAH). International Journal of Ambient Energy 2024; 45(1): 2280754. https://doi.org/10.1080/01430750.2023.2280754.
14. Şahin HM., Dal AR., Özkaya M. İç içe borulu yay tip türbülatörlü bir ısı değiştiricisinin RNG k-ε türbülans modeli ile sayısal analizi. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji 2020; 8(1): 64-78. https://doi.org/10.29109/gujsc.625585.
15. Ülker N., Bulut H., Hava ön ısıtma ve hava hızının havalı güneş kollektörünün ısıl performansına etkisi. Fırat Üniversitesi Müh. Bil. Dergisi 2025; 37(1): 199-209. https://doi.org/10.35234/fumbd.1530113. Winterton RHS. Where did the Dittus and Boelter equation come from? (C. 41). Elswier Science Ltd; 1998