Experimental and numerical analysis of heat transfer performance of off-set strip fins

Abstract

Bu çalışma, bir offset-strip tip kanatçığın ısı transferi ve basınç düşüm karakteristiklerinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesini içermektedir. Deneyler, Reynolds sayısı 150 ile 3500 arasında gerçekleştirilmiş ve taşınım ile iletimi bir arada içeren bu problem, üç boyutlu bir sayısal model kullanılarak çözülmüştür. Sayısal analizler için sonlu hacim metodu kullanılmıştır. Offset-strip tip kanatçığın içerisindeki akış, Reynolds sayısı 200 ile 5000 arasında, laminer ve zamandan bağımsız olarak kabul edilmiş ve bu kabuller ışığında sayısal analizler gerçekleştirilmiştir. Offset-strip tip kanatçık içerisindeki akışın ısı transferine ve basınç düşümüne etkileri, bu parametrelerin birimsiz büyüklüğü olan Colbourn-j faktör ve Fanning friction f faktör cinsinden incelenmiştir. Ayrıca iki farklı termal sınır koşulu tanımlanarak (sabit sıcaklık ve sabit ısı akısı) ısı transferine ve basınç düşümüne etkileri incelenmiştir. Buna ek olarak hava, su ve etilen-glikol gibi üç farklı akışkan kullanılarak, Prandtl sayısının etkileri araştırılmıştır. Oluşturulan modelin sayısal analiz sonuçları ve elde edilen deneysel sonuçlar, Kays ve London'ın (1964) deneysel sonuçları ve Manglik ve Bergles'in korelasyonlarından elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar ile bu araştırmacıların sonuçları karşılaştırıldığında birbirleri ile çok iyi örtüştüğü görülmektedir. İki farklı ısıl sınır koşulu kullanılarak elde edilen sonuçlar, bu iki sınır koşulu arasında önemli bir fark olmadığını göstermiştir. Elde edilen tüm sonuçlar irdelendiği zaman, çalışmada kullanılmış olan sayısal modelin ve yapılmış olan deneylerin Reynolds sayısı 200 ile 5000 arsında oldukça güvenilir olduğu sonucuna varılmıştır.

The aim of this study is to computationally and experimentally investigate the heat transfer and pressure drop characteristics of an offset-strip fin. In the present study, experiments are conducted at the range of Reynolds number from 150 to 3500 and a 3-D numerical domain, which is investigated as a conjugate problem, is created for finite volume computations. The computations are conducted by assuming that the flow in the offset-strip fin channels is steady and laminar at the range of Reynolds numbers from 200 to 5000. In this thesis, the effects of the flow behaviors in the offset strip fin channels on Colbourn j factor, which is the non-dimensional form of heat transfer coefficient, and fanning friction f factor, which is the non-dimensional form of pressure drop, are investigated. Also, the heat transfer boundary conditions and the Prandtl numbers of the fluids are kept different for these fins in order to see the effect of those. The effect of Prandtl number is investigated by using air, 0.707 < Pr < 0.71 and water, 2 < Pr < 4.35 and ethylene glycol, 94 < Pr < 138. The effect of the thermal boundary conditions is investigated by using constant heat flux and uniform temperature. Moreover, all results are compared with Kays and London?s experiments (1964) and also the results of Manglik and Bergles?s correlations (1995). The results show a very good agreement between the results of Kays and London (1964) and of Manglik and Bergles?s correlations (1995). It is also observed that results obtained from the two alternatives for the thermal boundary condition are very close to each other. According to obtained results, it is concluded that our computational results from laminar flow assumption and experiments are reliable at almost all the range of Reynolds numbers studied.