Karışık taşınım ile olan ısı transferinin farklı geometrideki akış engelleri kullanılarak iyileştirilmesinin sayısal olarak incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada; içinde ısı akısına sahip, farklı konum ve geometride engeller bulunan dik bir kanaldaki karışık konveksiyonun ısı transferine ve akış özelliklerine etkisi sayısal olarak incelenmiştir. Engellerin konumları, sayıları ve geometrileri değiştirilerek ısı transferine ve akış özelliklerine etkisi belirlenmeye çalışılmıştır. Çalışmada, alt alta bulunan iki yarı silindirik engelin, alt alta ve karşılıklı bulunan dört yarı silindirik engelin ve alt alta ve karşılıklı bulunan dört dikdörtgen engelin karışık konveksiyonla olan akış ve ısı transferine etkileri irdelenmiştir. Sonuç olarak; Nusselt sayısının, engellerin birbirine olan uzaklıklarının (L/D oranı) ve doğal taşınım etkilerinin (Ri sayısı) artmasıyla genel olarak arttığı tespit edilmiştir. Her iki engel geometrisinde (yarı silindirik engel ve dikdörtgen engel) L/D oranının ve değiştirilmiş Ri sayısının arttırılmasının Nusselt sayısına olan etkisinin benzer olduğu ve ısı transferini arttırdığı tespit edilmiştir. Yarı silindirik engeldeki Nusselt değerlerinin dikdörtgen engeldeki Nusselt değerlerine kıyasla daha büyük olduğu belirlenmiştir. Yarı silindirik engeldeki Nusselt değerlerinin dikdörtgen engeldeki Nusselt değerlerinden farkının; engeller arası mesafenin az olduğu (L/D=0,25) değer için; düşük Ri sayılarında (Ri=50) %72,5 iken yüksek Ri sayılarında (Ri=200) %19,6 olduğu tespit edilmiştir. Bu fark; engeller arası mesafenin çok olduğu (L/D=1,5) değer için; düşük Ri sayılarında (Ri=50) %58,6 iken yüksek Ri sayılarında (Ri=200) %39,1 olduğu tespit edilmiştir. Her iki engel geometrisinde de en yüksek Nu sayısının L/D= 1,5 ve Ri=200 olduğu durumda meydana geldiği belirlenmiştir. Ayrıca; çalışmada Nu sayısı için bir korelasyon elde edilmiştir. Sayısal çalışmanın sonuçları literatürde bulunan deneysel çalışmalarla da karşılaştırılarak; sıcaklık dağılımını ve akış özelliklerini iyi şekilde temsil edebildiği görülmüştür.

Purpose:In this study, it was aimed to numerically investigate the effects of the location, number and geometry of obstacles in a vertical channel on mixed convection heat transfer and flow properties for water as working fluid under different Re and Gr numbers.Theory and Methods:The FloEFD CFD code has been employed in this study to investigate the effects of semi-cylindrical and rectangular obstacle's location, number and geometry in a vertical channel of height of H=1.8 m and width of W=0.05 m on the mixed convection heat transfer and fluid flow (Figure.A). The effect of two semi -cylindrical obstacles located one under the other, four semi-cylindrical obstacles located one under the other on opposite sides, four rectangular obstacles located one under the other on opposite sides, on heat transfer and flow properties were investigated numerically. Analysis have been made for different Re numbers, Ri numbers, blockage ratios (BR) and L/D values where water was used as working fluid. The fluid enters the channel with a constant temperature (To) and velocity (uo) from the top of the channel.Results:In the present study, it was obtained that Nu number increases with increasing distance between obstacle (L/D) and natural convection effects (Ri number). For both obstacle geometries (two semi-cylindrical and rectangular obstacles), increasing L/D ratio and Ri number causes similar effect on Nu number and enhances heat transfer. It was determined that Nu numbers obtained for semi-cylindrical obstacles are bigger than the Nu numbers of rectangular obstacles. The highest Nu number can be obtained for L/D=1 and Ri=300 for both obstacle geometries.Conclusion:The mixed convection in a vertical channel with obstacles has been investigated numerically. It was observed that Nu number increases with increasing distance between obstacle (L/D) and natural convection effects (Ri number). It can be concluded that, the study could be further continued, and the effects of new types of fluids on heat transfer and flow properties, different channel and obstacle geometries on heat transfer and flow properties could be examined.