Numerical Investigation of Flow Characteristics and Heat Transfer in an Open Cavity with Flow Control

Öz

The cavity flow, despite its geometrically simple structure, contains various fluid flow properties. The flow structure change inside the cavity provides to enhance the heat transfer. In this study, the flow structure of 7 different cylinders located in different positions (C1, C2, C3, C4, C7, C9 and C11 cylinder locations) in an open cavity and its heat transfer effects are investigated in two dimensional. The diameter of the cylinder is 0.025 m, the ratio of the depth and the length is D/L=2 and the Reynolds number is 10000 based on the cylinder diameter. For the heat transfer analysis, a constant heat flux is applied to the cavity walls (q̇ =10000 W/m²). Water is the chosen liquid, and finite volume method is used for the numerical analysis. Flow structure and heat transfer results are compared with the cavity which has no embedded cylinders inside. The obtained results reveal that using a circular cylinder located in different locations inside the cavity changes the flow structure and increases the Nusselt number compared to the empty cavity case.

Anahtar Kelimeler

• Flow control
• CFD
• Cavity flow
• Constant cylinder

Akış Kontrolü Uygulanan Açık Bir Kavitede Akış Karakteristikleri ve Isı Geçişinin Sayısal Olarak İncelenmesi

Öz

Kavite akışı, geometrik olarak basit bir yapıya sahip olmasına rağmen farklı akış özelliklerini içerisinde bulunduran bir akış tipidir. Bu akış yapısındaki değişimler, kavite içerisinde ısı transferinin iyileştirilmesini sağlayabilmektedir. Sunulan bu çalışmada, iki boyutlu, açık kavite içerisinde 7 farklı konuma (C1, C2, C3, C4, C7, C9 ve C11 silindir konumları) yerleştirilen silindirin akış yapısı ve ısı transfer üzerindeki etkileri sayısal olarak incelenmiştir. Silindir çapı 0,025 m, kavitenin uzunluk ve derinlik oranı (D/L) 2 ve silindir çapı ile tanımlanan Reynolds sayısı 10000 olarak belirlenmiştir. Isı transfer analizi için kavite duvarlarına sabit ısı akısı (q̇ =10000 W/m²en farklı akış özelliklerini içerisinde bulunduran bir akış tipidir. Bu akış yapısındaki değişimler, kavite içerisinde ısı transferinin iyileştirilmesini sağlayabilmektedir. Sunulan bu çalışmada, iki boyutlu, açık kavite içerisinde 7 farklı konuma (C1, C2, C3, C4, C7, C9 ve C11 silindir konumları) yerleştirilen silindirin akış yapısı ve ısı transfer üzerindeki etkileri sayısal olarak incelenmiştir. Silindir çapı 0,025 m, kavitenin uzunluk ve derinlik oranı (D/L) 2 ve silindir çapı ile tanımlanan Reynolds sayısı 10000 olarak belirlenmiştir. Isı transfer analizi için kavite duvarlarına sabit ısı akısı (q̇ =10000 W/m²) uygulanmıştır. Sayısal analizlerde akışkan olarak su seçilip, çözümlemeler sonlu hacimler yöntemini ile yapılmıştır. Akış yapısı ve ısı transfer sonuçları kavite içerisinde silindirin bulunmadığı durum ile mukayese edilmiştir. Elde edilen sonuçlar silindirin kullanılmadığı boş kavite akışına kıyasla kavite içerisinde farklı konumlara yerleştirilen dairesel bir silindir kullanılmasının akış yapısını değiştirdiğini ve Nusselt sayısında artış meydana getirdiğini göstermiştir.

Anahtar Kelimeler

• Akış kontrolü
• Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD)
• Kavite akışı
• Sabit silindir

Kaynakça

1. 1. Güleren, M.K., Çelik, B., Demir, O., 2018. Transonik Akışlarda Girdap Üreteçlerinin Kavite Gürültüsüne Etkisi, VII Ulusal Havacılık ve Uzay Konferansı, 117, Ondokuz Mayıs Üniversitesi Samsun-Türkiye, 12-14 Eylül.
2. 2. Charwat, A., Roos, R., Dewey, F., Hitz, Jr, J., 1961. An Investigation of Separated Flows-part I: The Pressure Field, Journal of the Aerospace Sciences, 28: 457-470.
3. 3. Ahuja, K., Mendoza, J., 1995. Effects of Cavity Dimensions, Boundary Layer, and Temperature on Cavity Noise with Emphasis on Benchmark Data to Validate Computational Aeroacoustic Codes, NASA Contrat Report, 4653.
4. 4. Haugen, R., Dhanak, A., 1967. Heat Transfer in Turbulent Boundary-Layer Separation Over a Surface Cavity, J. Heat Transfer 89, 335–340.
5. 5. Yamamoto, H., Seki, N., Fukusako, S., 1979. Forced Convection Heat Transfer on Heated Bottom Surface of a Cavity, J. Heat Transfer, 101, 475-479.
6. 6. Pereira, J., Sousa, J., 1995. Experimental and Numerical Investigation of Flow Oscillations in a Rectangular Cavity, Journal of Fluids Engineerin, 117, 68-73.
7. 7. Zdanski, P., Ortega, M., Fico, N.G., Jr, 2003. Numerical Study of the Flow Over Shallow Cavities, Computers and fluids, 32, 953-974.
8. 8. Ashcroft, G., Zhang, X., 2005. Vortical Structures Over Rectangular Cavities at Low Speed, Physics of Fluids, 17, 015104.

9. 9. Faure, T.M., Adrianos, P., Lusseyran, F., Pastur, L., 2007. Visualizations of the Flow Inside an Open Cavity at Medium Range Reynolds Numbers, Experiments in Fluids, 42,169-184.
10. 10. Kang, W., Sung, H.J., 2009. Large-Scale Structures of Turbulent Flows Over an Open Cavity, Journal of fluids and structures, 25, 1318-1333.
11. 11. Ozalp, C., Pinarbasi, A., Sahin, B., 2010. Experimental Measurement of Flow Past Cavities of Different Shapes, Experimental Thermal and Fluid Science, 34, 505-515.
12. 12. Özsoy, E., Aslan, A.R., 2011. Üç Boyutlu Bir Kavite Üzerindeki Sıkıştırılamaz Akışın Sayısal Bir Yöntemle Analizi, İTÜ Dergisi Mühendislik, 10(3), 149-159.
13. 13. Wahba, E., 2014. On the Steady Flow in a Rectangular Cavity at Large Reynolds Numbers: A Numerical and Analytical Study, European Journal of Mechanics-B/Fluids, 44, 69-81.
14. 14. Chen, H., Zhong, Q, Wang, X., Li, D., 2014. Reynolds Number Dependence of Flow Past a Shallow Open Cavity, Science China Technological Sciences. 57, 2161-2171.
15. 15. Selimefendigil, F., Öztop, H.F., 2014. Numerical Study of MHD Mixed Convection in a Nanofluid Filled Lid Driven Square Enclosure With a Rotating Cylinder, International Journal of Heat and Mass Transfer, 78, 741-754.
16. 16. Madi, A.F., 2016. Heat Transfer Prediction in a Shallow Cavity Effect of Incoming Flow Characteristics, Thermal Science, 20, 1519-1532.
17. 17. Doğan, F.B., 2014. Eş Merkezli Dönen İki Silindir Arasında Oluşan Taylor ve Von Karman Vortekslerinin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği ile İncelenmesi, TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Ankara, 126.
18. 18. Çengel, Y., Cimbala, J., 2012. Akışkanlar Mekaniği Temelleri ve Uygulamaları (2. Basım), İzmir: İzmir Güven Kitabevi.
19. 19. Lienhard, J.H., 1966. Synopsis of Lift, Drag, and Vortex Frequency Data for Rigid Circular Cylinders, Technical Extension Service, Washington State University Pullman, WA.