Delta-kanatların optimum özelliklerinin enerji etkinliği kapsamında üç boyutlu nümerik analiz (CFD) yöntemiyle belirlenmesi

Abstract

Delta-kanat tipi girdap üreticiler, akım alanında karışım, boylamsal girdaplar ve türbülans yaratma özelliklerine sahip olduğundan dolayı, 3-boyutlu karmaşık akış yapıları ve buna bağlı olarak daha etkin ısı transfer özellikleri sağladığından, çevrelerinde oluşan akım-sıcaklık alanı etkileşimi üzerinde pozitif yönde etkili olmaktadırlar. Bu tip girdap üreticiler, bir üçgen kanalın ısı transfer yüzeylerine uygun şekilde monte edildiğinde, bu yüzeylerden istenen ısıl performansı beklemek mümkündür. Isıl performans, en yüksek ısı transfer özelliklerini en düşük basınç kayıpları ile sağlayabilen optimum koşulların en ekonomik ve en etkin şekilde sağlanmasını gerektirir. Günümüzde özellikle elektronik, mekanik, biyomedikal, nükleer, denizcilik, havacılık ve uzay gibi endüstri alanlarında karşılaşılan ısı/kütle transferi uygulamalarında, daha üstün özelliklerinden dolayı, çoğunlukla üçgen kesitli kanallar kullanılmaktadır. Bunun sebebi; üçgen kanalların sıralı olarak dizilmeleri sonucunda boyut ve hacim yönünden daha kompakt bir yapı meydana getirmeleri, bu sayede daha az yer kaplamaları ve daha büyük ısı transfer yüzey alanları sağlamalarıdır. Bu tip kanallar; üretimlerinin kolay olması ve çok ince malzemelerden kolayca üretilmelerine rağmen mekanik dayanımlarının oldukça yüksek olması yönlerinden diğer kanallara göre daha üstün özelliklere sahiptir. Bu tip girdap üreticiler kanallara iki farklı pozisyonda yerleştirilebilmektedir. Bu pozisyonlardan ilkinde girdap üreticiler gelen akımı daraltacak şekilde, ikincisinde ise gelen akımı genişletecek şekilde yerleştirilmektedir. Birinci durumdaki delta-kanat çiftine `Common-Flow-Down, CFD`, ikincisine ise `Common-Flow-Up, CFU` adı verilmektedir. Bu araştırmada Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) sayısal yöntemi kullanılarak, içinde delta-kanat tipi girdap üreticilerin farklı konfigürasyonlarda yerleştirildiği üçgen kanallar bir bilgisayar destekli tasarım (CAD) programı ile çizilmiş, bu geometrik yapıların ağ donanımları ANSYS MESH PLATFORM ile oluşturulmuş, sayısal çözümleme işlemi ANSYS CFD araştırma paketi içerisindeki FLUENT çözücüsü kullanılarak yönetici denklemler çözülmüş ve kanalda meydana gelen akış yapıları ve ısı transfer verileri 3-boyutlu olarak detaylıca araştırıldıktan sonra, elde edilen sonuçlar ANSYS CFD POST yardımıyla görselleştirilmiş ve bu sonuçlar enerji etkinliği kapsamında yorumlanmıştır. CFD-CFU konfigürasyonunun beraber kullanıldığı sistemlerde delta-kanatçıkların arasındaki mesafenin, kanatçık boyunun 0.5 katı olması durumunda enerji etkinliği kapsamında optimum koşullar elde edilmiştir.

Delta-wings type vortex generators can generate mixing together with longitudinal vortices and as a result a 3-dimensional turbulence in the flow field. Due to their influence on flow and thermal fields, they are capable of creating complexcitiy and as a result an effective heat transfer in the flow field. In this numerical study it is aimed to model the flow and temperature fields around delta-wing type vortex generators mounted on the slant surfaces of triangular channels. Increased efforts have been made to obtain more efficient heat transfer surfaces for non-circular flow passages encountered in many industrial areas such as electronics, gas turbines, aerospace, nuclear, biomedical, aerospace and ships. Triangular channels are preferred due to their compactness in terms size and volume. Another benefit with this configuration is that it is easy to construct with very thin materials and the mechanical strength is rather high with even very thin foils. Among the triangular configurations, equilateral triangular ducts give the best convective heat transfer performance. Two different vortex generator configurations are used in this study-namely Common Flow Up (CFU) and Common Flow Down (CFD) – if the distance between leading edges of the winglet pair is more than that of the trailing edges, then the configuration is called CFU. Conversely, if it is less, then it is called CFD. After the experimental verification, the flow and the temperature field calculations are performed in the side, plan and end-view planes so that interaction between the flow and the temperature fields to be investigated extensively by a 3-dimensional modeling technique. In the first stage, the model geometry and the mesh distribution have been constructed using a computer-aided design (CAD) software and an ANSYS MESH PLATFORM software, respectively. The numerical modeling has been performed by ANSYS FLUENT softwares and the results have been presented using ANSYS CFD POST software available in the ANSYS FLUENT CFD package. The computed results have been demonstrated in the context of energy efficiency. It is found that when CFD-CFU configuration is used, the optimum energy efficiency is obtained with 0.5 times the delta-wing length.