Dikdörtgen kesitli kanallarda yeni tip vorteks üreticilerle ısı transferinin sayısal incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, dikdörtgen kesitli kanalda yeni tip vorteks üreticinin ısı transferine etkisini belirlemek için sayısal bir çalışma yapılmıştır. Kanal içi akış için Reynolds sayısının 5000 ile 25000 değerleri arasında, yeni tip vorteks üreticinin eğilme açısının, periyot uzunluğunun ve dalgalı yapısının, ısı transferine ve basınç düşüşü üzerine etkileri araştırılmıştır. 250 mm eninde, 30 mm yüksekliğinde olan kanalın ortasından simetri ekseni geçtiği düşünülerek kanal genişliği 125 mm olarak kabul edilmiştir. Kanalın yeterince uzun olduğu düşünüldüğü için kanal uzunluğu 100 mm'lik periyotlara bölünerek hesaplamalar yapılmıştır. Bir adet vorteks üretici çözüm alanının merkezine konumlandırılmıştır. Vorteks üreticilerin oluşturacakları vortekslerin yan duvarlara yakın olması hedeflenmiştir. Vorteksin ayağı ile burnu arasına çizilen doğru ile akış doğrultusu arasında 45°'lik açı olması sağlanmıştır. Bu sayısal çalışma Ansys Fluent 19.2 CFD paket programı ile yürütülmüştür. İş akışkanı olarak hava kullanılmış, duvarlarda adyabatik sınır şartı ve kanal taban yüzeyinden sabit ısı akısı ısıl sınır şartı uygulanmıştır. Akış doğrultusunda kanalın enine ortasından simetri ekseni geçirilerek simetri ekseninin bir tarafı göz ardı edilerek hesaplamalar hafifletilmiştir. Kanalın akış yönünde yeterince uzun olduğu düşünülerek akış yönünde periyodik sınır koşulu ile hesaplamalar yapılmıştır. Türbülanslı akışı modellemek için realizable k-ɛ modeli ve duvar etkilerini yakalamak için Enhanced Wall Treatment modeli kullanılmıştır. Farklı eğilme açıları ile yapılan hesaplamalar neticesinde en yüksek Nu değerini 45° eğilme açısına sahip olan tasarım sağlarken basınç düşümü fazla gerçekleştiği için bu modelde TEF değeri düşük çıkmıştır. Buna karşın Nu değeri fazla olmamasına rağmen basınç düşümü fazla olmadığı için 15° eğilme açısına sahip olan tasarımın en yüksek TEF değerini sağladığı görülerek, bu tasarımın TEF değerini daha da yükseltebilmek için 1, 3 ve 5 adet olmak üzere 15° eğilme açılı 3 ayrı model geliştirilmiştir. Geliştirilen yeni modeller, dalgasız modeller ile aynı koşullarda analiz edilerek sonuçlar irdelenmiştir. Dalgalı modellerden en yüksek Nu değerini 3 dalgalı modelin sağladığı görülürken üç model arasında en fazla basınç düşümü de bu modelde olmuştur. 1 ve 5 dalgalı modellerde basınç düşümü daha az gerçekleşmesine rağmen ısı transferi daha az gerçekleşmiştir. Her iki değer analiz edildiğinde düz modele kıyasla dalgalı modellerin TEF değerini arttırmadığı sonucuna varılmıştır. Çözüm alanının periyot uzunluğunun TEF sayısına etkisi de incelenmiştir. 15° eğilme açılı model 200 mm ve 400 mm periyot uzunluklu kanal içerisinde yine merkezlenerek yerleştirilmiştir. Yapılan çalışmalar neticesinde periyot uzunluğunun artmasıyla Nu, f ve TEF değerlerinin azaldığı gözlemlenmiştir. Periyot uzunluğunun artmasının TEF değerine olumlu etki etmediği sonucuna varılmıştır.

In this study, a numerical study was performed to determine the effect of novel type vortex generator on heat transfer in rectangular channel. The effects of novel type vortex generator's attack angle, period length and wavy structure on heat transfer and pressure drop were investigated between 5000 and 25000 values of Reynolds number for in-channel flow. The width of the channel is 250 mm and the height of 30 mm is assumed to pass through the center of the axis of symmetry. Since the channel is thought to be long enough, the length of the channel is divided into 100 mm intervals and calculations are made. One vortex generator is positioned to the center of the solution area. It is aimed that the vortexes to be formed by the vortex generators are close to the side walls. A 45 ° angle is provided between the line drawn between the foot and the nose of the vortex and the flow direction. This numerical study was carried out with Ansys Fluent 19.2 CFD software. Air was used as the working fluid, adiabatic boundary condition was applied on the walls and constant heat flux thermal boundary condition was applied from the base surface of the duct. In the flow direction, the axis of symmetry is passed through the middle of the channel transverse and the calculations are mitigated by ignoring one side of the symmetry axis. Considering that the channel is long enough in the flow direction, the calculations are made with the periodic boundary condition in the flow direction. Realizeble k-ɛ model was used to model turbulent flow and enhanced wall treatment model was used to capture wall effects. As a result of calculations made with different bending angles, the highest Nu value provides a design with a a bending angle of 45 °, while the TEF value is low in this model because the pressure drop is too high. On the other hand, although the Nu value is not high, since the pressure drop is not high, it is seen that the design having the bending angle of 15 ° provides the highest TEF value. In order to increase the TEF value of this design, 3 different models with 1, 3 and 5 bending angles have been developed. The new models developed were analyzed under the same conditions as the waveless models and the results were examined. The highest Nu value was obtained by 3-wave model while the maximum pressure drop among the three models was observed in this model. In 1 and 5 wave models, although the pressure drop was less, the heat transfer was less. When both values were analyzed, it was concluded that wavy models did not increase the TEF value compared to the flat model. The effect of period length of solution area on TEF number was also investigated. The 15 ° bending angle model is again centered in the 200 mm and 400 mm period length channel. As a result of the studies, it was observed that Nu, f and TEF values decreased with increasing period length. It was concluded that increasing the length of the period did not affect the TEF value positively.