Düzlem yüzey ısı alıcılarda tekli ve çoklu hava jetinin ısı ve akış karakteristiklerine etkisinin sayısal analizi

Yıl 2022, Cilt: 12 Sayı: 3, 839 - 847, 15.07.2022

Ahmet Numan Özakın Abdüssamed Kabakuş

https://doi.org/10.17714/gumusfenbil.1020711

Cited By: 2

Öz

Bu çalışmada, düzlem yüzey ısı alıcı üzerinden tekli ve çoklu hava jeti ile gerçekleşen ısı transfer performansı Ansys-Fluent programı ile sayısal olarak incelenmiştir. Sayısal çalışma zamandan bağımsız k-ε türbülans modeli kullanılarak gerçekleştirilmiştir. On farklı Reynolds sayısı (4000≤Re≤40000), ve tekli ve çoklu nozul sayılarının düzlem ısı alıcıda ısı transferine etkileri irdelenmiştir. Analizler 40 mm nozul ısı alıcı arası mesafede gerçekleştirilmiştir. Hava ise belirlenen Reynolds sayılarına karşılık gelen hızlarda 293.15 K sıcaklığında kontrol hacmine gönderilmiştir. Çalışmada ısı alıcı üzerinde gerçekleşen sıcaklık dağılımını gösteren sıcaklık konturları ve ısı alıcı yüzeyinde türbülans oluşumunun gözlemlendiği akım çizgi görüntüleri sunulmuştur. Sonuç olarak, her iki nozul çeşidinde de Reynolds sayısı arttıkça soğutma performansı artmıştır. Yaklaşık 38000 Reynolds sayısı değerine kadar tekli nozul çoklu nozula göre daha iyi bir soğutma performansı gösterirken, 38000 Reynols sayısından sonra çoklu nozul ile daha iyi ısı transferi elde edildiği belirlenmiştir. Nusselt sayısı, en düşük Reynolds sayısında tekli nozulda çoklu nozula göre %60, en yüksek Reynolds sayısında ise çoklu nozulda tekli nozula göre %15 artış göstermiştir. Elde edilen sayısal sonuçların literatürde ayrı ayrı bulunan tekli ve çoklu hava jeti ile yapılan deneysel çalışmalarla uyumlu olduğu gözlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

Çarpan jet, Çoklu nozul, Hesaplamalı akışkanlar dinamiği, Isı transferi

Numerical analysis of the effect of single and cascade air jets on heat and flow characteristics in plane surface heat sinks

Öz

In this study, heat transfer performance with single and cascade air jets over the plane surface heat sink was numerically investigated with Ansys-Fluent software. Numerical analyses was carried out using the time-independent k-ε turbulence model. The effects of ten different Reynolds numbers (4000≤Re≤40000) and single and cascade nozzle numbers on the heat transfer were investigated. Analyzes were carried out at a distance of 40 mm between the nozzle and the heat sink. The air, on the other hand, was sent to the control volume at a temperature of 293.15 K at velocities corresponding to the determined Reynolds numbers. In the study, temperature contours showing the temperature distribution on the heat sink and streamline images in which turbulence formation is observed on the heat sink surface are presented. As a result, cooling performance increased with increasing Reynolds number in both nozzle types. It was determined that while the single nozzle showed a better cooling performance than the cascade nozzle up to approximately 38000 Reynolds number, better heat transfer was obtained with the cascade nozzle after 38000 Reynolds number. The Nusselt number showed an increase of 60% at the lowest Reynolds number in the single nozzle compared to the cascade nozzle, and 15% in the cascade nozzle at the highest Reynolds number compared to the single nozzle. It has been observed that the numerical results obtained are compatible with the experimental studies conducted with single and cascade air jets separately in the literature.

Anahtar Kelimeler

Impinging jet, Cascade nozzle, Computational fluid dynamics, Heat transfer

Kaynakça

• Ansys Workbench, Fluent Software (Version 16)
• Baghel, K., Sridharan, A. & Murallidharan, J. S. (2021). Heat transfer characteristics of free surface water jet impingement on a curved surface. International Journal of Heat and Mass Transfer, 164, 120487. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120487
• Chauhan, R., Singh, T., Thakur, N. S., Kumar, N., Kumar, R. & Kumar, A. (2018). Heat transfer augmentation in solar thermal collectors using impinging air jets: A comprehensive review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 82, 3179-3190. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.10.025
• Chauhan, R. & Thakur, N. S. (2012). Heat transfer and friction characteristics of impinging jet solar air heater. Journal of Renewable and Sustainable Energy, 4(4), 043121. https://doi.org/10.1063/1.4747821
• Çalışır, T., Çalışkan, S., Kılıç, M. & Başkaya, Ş. (2017). Çarpan akışkan jetleri kullanarak kanatçıklı yüzeyler üzerindeki akış alanının sayısal olarak incelenmesi. Journal of the Faculty of Engineering & Architecture of Gazi University, 32(1).
• Çulun, P., Çelik, N. & Kapan, S., (2017). Çoklu çarpan jet uygulamalarında giriş türbülans yoğunluğunun etkisinin araştırılması” International Conference on Multidisciplinary, Science, Engineering and Technology, (IMESET’17 Bitlis), Oct 27-29, Bitlis. Dagtekin, I. & Oztop, H. F. (2008). Heat transfer due to double laminar slot jets impingement onto an isothermal wall within one side closed long duct. International Communications in Heat and Mass Transfer, 35(1), 65-75. http://dx.doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2007.05.013
• De Lemos, M. J. & Fischer, C. (2008). Thermal analysis of an impinging jet on a plate with and without a porous layer. Numerical Heat Transfer, Part A:Applications, 54(11),1022-1041. https://doi.org/10.1080/10407780802473590
• Husain, A., Kim, S. M. & Kim, K. Y. (2013). Performance analysis and design optimization of micro-jet impingement heat sink. Heat and Mass Transfer, 49(11), 1613-1624. https://doi.org/10.1007/s00231-013-1202-3
• Hüseyin, K. 2021. İkili çarpan jet ile soğutulan sıcak plakanın yüzey şeklinin ısı transferine etkisinin sayısal analizi. Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 9(1), 152-163. https://doi.org/10.29130/dubited.754908
• Kabakuş, A., Yakut, K., Özakın, A. N., & Yakut, R. (2021). Experimental determination of cooling performance on heat sinks with cone-jet electrospray mode. Engineering Science and Technology, an International Journal, 24(3), 665-670. https://doi.org/10.1016/j.jestch.2020.11.004
• Karabulut, K., Alnak, D. E. & Koca, F. (2019). Investigation of heat transfer from heated square patterned surfaces in a rectangular channel with an air jet ımpingement. European Journal of Engineering and Natural Sciences, 3(1), 78-86.
• Karabulut, K., Alnak, D. E. & Koca, F. (2018). Analysis of cooling of the heated circle patterned surfaces by using an air jet ımpingement. In ICENS 4th International Conference on Engineering and Natural Science.
• Karabulut, K. (2019). Heat transfer improvement study of electronic component surfaces using air jet impingement. Journal of Computational Electronics, 18(4), 1259-1271.
• Karabulut, K. & Alnak, D. E. (2020). Değişik şekilde tasarlanan ısıtılmış yüzeylerin hava jeti çarpmalı soğutulmasının araştırılması. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 26(1), 88-98.
• Karabulut, K. & Alnak, D. E. (2021). Dikdörtgen bir kanaldaki farklı desenli yüzey geometrilerinin ısı transferine olan etkilerinin incelenmesi. Tesisat Mühendisliği, 183, 37-49.
• Karagoz, S., Afshari, F., Yildirim, O. & Comakli, O. (2017). Experimental and numerical investigation of the cylindrical blade tube inserts effect on the heat transfer enhancement in the horizontal pipe exchangers. Heat and Mass Transfer, 53(9), 2769-2784. https://doi.org/10.1007/s00231-017-2021-8
• Kılıç, M. & Başkaya, Ş. (2017). Farklı geometride akış yönlendiriciler ve çarpan jet kullanarak yüksek ısı akılı bir yüzeyden olan ısı transferinin iyileştirilmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 32(3), 693-707. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.337616
• Kılıç, M. & Özcan, O. (2019). Farklı parametreler için nanoakışkanlar ve çarpan jetlerin müşterek etkisinin sayısal incelenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 34(3), 1501-1516.
• Rim, B. K., Saïd, N. M., Bournot, H. & Le Palec, G. (2017). Effect of nozzle-to-plate spacing on the development of a plane jet impinging on a heated plate. Heat and Mass Transfer, 53(4), 1305-1314. https://doi.org/10.1007/s00231-016-1904-4
• Spizzichino, M., Sinibaldi, G. & Romano, G. P. (2020). Experimental investigation on fluid mechanics of micro-channel heat transfer devices. Experimental Thermal and Fluid Science, 118, 110141. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2020.110141
• Yakut, R. & Yakut, K. (2020). Hava jetinin altıgen kanatlı ısı alıcıya çaptırılmasıyla elde edilen basınç katsayılarının deneysel ve nümerik olarak belirlenmesi. Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 3(1), 56-64.
• Yakut, K., Kabakuş, A., Yeşildal, F. & Karabey, A. (2015). Kanal akışında optimize edilmiş ısı alıcıların çarpan jetle ısı transferi ve akış karakteristikleri analizi. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi, 31(1), 43-55.
• Yakut, R., Yakut, K., Yeşildal, F. & Karabey, A. (2016). Experimental and numerical investigations of impingement air jet for a heat sink. Procedia Engineering, 157, 3-12. https://doi.org/ 10.1016/j.proeng.2016.08.33
• Yesildal, F. & Yakut, K. (2017). Optimization of the spray cooling parameters for a heat sink by the Taguchi method. Atomization and Sprays, 27(12). https://doi.org/10.1615/AtomizSpr.2018019951