COMPUTATIONAL ANALYSIS OF BACKWARD-FACING STEP FLOW

Abstract

In this study, backward-facing step flow that are encountered in electronic systems cooling, heat exchanger design, and gas turbine cooling are investigated computationally. Steady, incompressible, and two-dimensional air flow is analyzed. Inlet velocity is assumed uniform and it is obtained from parabolic profile by using maximum velocity. In the analysis, the effects of channel expansion ratio and Reynolds number to reattachment length are investigated. In addition, pressure distribution throughout the channel length is also obtained and flow is analyzed for the Reynolds number values of 50 and 150 and channel expansion ratios of 1.5 and 2. Governing equations are solved by using Galerkin finite element mothod of ANSYS-FLOTRAN code. Obtained results are compared with the solutions of lattice BGK method that is relatively new method in fluid dynamics and other numerical and experimental results. It is concluded that reattachment length increases with increasing Reynolds number and at the same Reynolds number it decreases with increasing channel expansion ratio.

Keywords

• Computational fluid dynamics, Backward-facing step, Laminar flow, Flow separation

GERİ BASAMAK AKIŞININ NÜMERİK ANALİZİ

Öz

Bu çalışmada elektronik sistemlerin soğutulması, ısı eşanjörleri ve gaz türbinlerinin soğutulması gibi bir çok mühendislik uygulamalarında karşımıza çıkan geri basamak akışı nümerik olarak araştırılmıştır. Akış sürekli, iki boyutlu, laminer ve sıkıştırılamaz olup akışkan havadır. Girişte parabolik hız profilinden faydalanılarak elde edilen düzgün hız profili kabul edilmiştir. Analizde kanal genişleme oranının ve Reynolds sayısının yeniden birleşme uzunluğu üzerine etkisi araştırılmıştır. Ayrıca kanal boyunca basınç dağılımı da elde edilmiştir. Reynolds sayısı basamak yüksekliğine göre tanımlanmış olup Re = 50 ve150 değerleri ve 1.5 ve 2 kanal genişleme oranları için akış analiz edilmiştir. Akışı ifade eden korunum denklemleri ANSYS-FLOTRAN kodu kullanılarak Galerkin sonlu elemanlar metodu ile çözülmüştür. Elde edilen çözümler literatürdeki lattice BGK metodu gibi akışkanlar dinamiğinde yeni sayılan bir metot kullanılarak elde edilen çözümlerle ve diğer sayısal ve deneysel çözümlerle karşılaştırılmış ve Reynolds sayısının artmasıyla yeniden birleşme uzunluğunun arttığı, aynı Reynolds sayısında ise kanal genişleme oranının artmasıyla düştüğü görülmüştür.

Anahtar Kelimeler

• Nümerik akışkanlar dinamiği, Geri basamak, Laminer akış, Akış ayrılması