Paralel iki levha arasındaki periyodik tam gelişmiş türbülanslı akış ve ısı transferi probleminin sayısal analizi

Abstract

ÖZET Bu çalışmada, kanallarda periyodik tam gelişmiş türbülanslı akış ve ısı transferi problemi, kontrol hacmi ayrıklaştırma tekniğine dayalı sayısal çalışma gerçekleştirilerek çözüldü. Bunun için kanallarda laminer akış koşullarında hız ve sıcaklık alanını çözen FORTRAN programlama dilinde yazılmış bir bilgisayar programı, türbülanslı akış koşullan için k-s türbülans modelini kullanarak, periyodik tam gelişmiş türbülanslı akış ve ısı transferi problemini çözecek şekilde geliştirildi. Periyodik tam gelişmiş akış koşulu, akış doğrultusunda olarak hem kanal duvarına bitişik hem de duvardan ayrık olarak tanımlanmış periyodik engeller ile sağlandı. Çalışma, akış doğrultusunda periyodik sınır koşulları, akışa dik doğrultuda ise duvarda sabit ısı akısı sınır koşulları altında gerçekleştirildi. Bu koşullar altında yapılan analizde, standart Duvar- Fonksiyonu-Metodundan başka, katı yüzeye yakın bölgelerdeki düşük Reynolds sayılı akışı göz önüne almak için, dört farklı Düşük-Reynolds-Sayılı-Model kullanılarak bulgular elde edildi. Elde edilen bulgular, engelin duvara bitişik olması durumu için literatürden gelen deneysel verilerle karşılaştırmalı olarak sunuldu. Çalışmada elde edilen sayısal sonuçlarla literatürden gelen deneysel verilerin genellikle uyum içerisinde olduğu görülmektedir. Görülen bazı durumlardaki farklılıkların ise literatürde de geniş bir şekilde bahsedildiği üzere, k-s türbülans modelindeki kabullerden kaynaklandığı sonucuna varılmıştır. Probleme uygulanan Düşük-Reynolds- Sayılı-Modellerden Lam-Bremhorst (LB1) modeli kullanılarak periyodik akış probleminin değişik geometrik durumlarına uygulandı. Bu uygulamada, periyodik engellerin duvara bitişik olması durumu için engel yüksekliği ve periyot uzunluğu, engelin duvardan ayrık olması durumunda ise engellerin duvardan olan mesafesi parametre olarak seçildi. Engel yüksekliğinin artırılması veya periyot uzunluğunun azaltılması ile ısı transferinin önce arttığı daha sonra tekrar azaldığı, hidrolik direncin ise her iki durumda da arttığı görüldü. Periyodik engellerin duvardan ayrık olması durumunda ise engelin duvardan uzaklaşması ile ısı transferinin önce azaldığı daha sonra tekrar artış gösterdiği, hidrolik dirençte ise önce önemli bir değişikliğin olmadığı daha sonra artmaya başladığı görüldü. Anahtar Kelimeler: Periyodik Tam Gelişmiş Akış, Düşük-Reynolds Sayılı Türbülans Modeli, k-s Türbülans Modeli, Kanal Akısı. V

SUMMARY Computational Analysis of Periodically Fully Developed Turbulent Flow and Heat Transfer Between Two Parallel Plates A computational study based on the control volume discretization technique has been performed for solving the periodically fully developed turbulent flow and heat transfer problem for parallel plate channels. A program designed to solve velocity and temperature fields of laminar flow problem in channels written in the computer language FORTRAN has been modified to use the k-s model of turbulence and to carry out the solution of the problem under the periodically fully developed flow and heat transfer condition. The periodically fully developed flow condition is obtained by defining periodic and symmetric obstacles across the flow direction in both wall-attached and displaced positions. The work has been performed under the periodical boundary conditions across the flow direction and the constant heat flux at the wall. In the analysis of the problem solved under the mentioned conditions, results are obtained for the Standard Wall Function Method and for four different Low Reynolds Number Models to take care of the near wall low Reynolds number flow condition. The computational results are comparatively presented with the experimental data that comes from literature. As the computational results and the experimental data are compared, an agreement is observed in general. The discrepancies appeared in the comparison are considered coming from the assumptions of the k-s turbulence model as indicated at the related references. Among the Low Reynolds Number models, The Lam-Bremhorst's (LB1) model is used to perform a geometric case study for the problem. In the case study, the height of the obstacle and the length of the period for the wall-attached obstacles, the obstacle distance from the wall for the displaced obstacles are chosen as parameters. With increasing height of obstacle or decreasing length of period, heat transfer increases at the beginning and then stats to decrease while the hydraulic resistance increases for both cases. For the displaced obstacles, with increasing distance from the wall, the heat transfer decreases at the beginning and then stats to increase while the hydraulic resistance almost remains constant at the beginning and starts to increase after some distance. Key Words: Periodically Fully Developed Flow, Low-Reynolds Number Models, k-e Turbulent Model, Channel Flow VI