Heat transfer
90 theses under this subject heading
Contalı levha tipi plakalı ısı değiştirgeçlerinin deneysel performans analizi
Günümüzde enerji kayıplarını en aza indirmek ve mümkün olan en yüksek verimlerde çalışmak mühendislik uygulamalarının birinci önceliği haline gelmiştir. Bunun sonucu olarak ısı transferini artırmaya yönelik çalışmalar gerçekleştirilmektedir. Bu çalışmalara bağlı olarak ısı transferi alanında kullanılan ısı değiştirgeçlerinin tasarımları, şekilleri ve etkinlikleri gün geçtikçe yenilenmekte ve gelişmektedir. Bu gelişmeler sonucunda ortaya çıkan plakalı ısı değiştirgeçleri gün geçtikçe yaygınlaşmakta ve diğer tipteki ısı değiştirgeçlerinin yerini almaktadır. Bu tez çalışması contalı plakalı ısı değiştirgeçlerinin ısıl ve hidrodinamik performans analizleri üzerine gerçekleştirilmiştir. Bu tezin konusu contalı plakalı ısı değiştirgeçleri için deney düzeneği tasarımının yapılıp, kurulması ve bu tip ısı değiştirgeçlerinin ısıl ve hidrodinamik performansının deneysel olarak incelenmesidir. Bu kapsamda TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi Makine Mühendisliği Laboratuvarı'na deney düzeneği kurulmuş ve bu deney düzeneği kullanılarak chevron tipi endüstriyel plakalar için farklı koşullarda deneyler yapılmıştır. Geniş bir Reynolds sayısı aralığında, 450 ile 5250 arasında, deneyler yapılmıştır. Isı değiştirgeçlerinin ısıl ve hidrodinamik karakteristiklerini incelemek için, giriş ve çıkışlarında sıcaklık ölçümleri, hem sıcak hem de soğuk akışkan için hacimsel debi ölçümleri ve giriş-çıkış portları arasındaki basınç düşümü ölçümleri yapılmıştır. Performans analizleri sonucunda, test edilen plaka için, ısı transferi hesaplamalarında kullanılmak üzere Nusselt sayısının ve basınç düşümü hesaplamalarında kullanılmak üzere sürtünme katsayısının Reynolds sayısına bağlı empirik formülleri bulunmuştur. Elde edilen sonuçlar birbirleriyle ve literatürdeki bazı korelasyonlarla karşılaştırılmıştır. Bulunan yeni korelasyonlar literatürdeki korelasyonlarla benzer eğilimlerde sonuçlar göstermektedir.
Radyasyon ısı transferinin bir gaz türbini yanma odası duvar sıcaklığı üstündeki etkisinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği-eşlenik ısı transferi yöntemleriyle incelenmesi
Bir gaz türbini yanma odası içerisinde yanma tepkimeleri sonucunda yüksek sıcaklıkta yanma ürünleri (karbon dioksit, su buharı vb.) oluşmaktadır. Bu nedenle yanma odası (YO) duvarına önemli ölçüde ısı transfer edilmektedir. YO duvarının sıcaklığının hesaplanması, duvar ömrünün doğru tahmin edilebilmesi ve duvar soğutma teknolojisinin güvenilirliğinin incelenmesi açılarından önem taşımaktadır. YO duvarı yanma gazları tarafından taşınım ve ışıma ile ısınmakta, dış kanaldaki soğuk hava tarafından soğutulmaktadır. Işıma (radyasyon) ile ısı transferi iki şekilde gerçekleşmektedir. Bunlar; YO birincil bölgedeki zengin karışım sonucu oluşan is (soot) kaynaklı ısı transferi (luminous radiation) ve YO içinde oluşan sıcak gazların ısı transferidir (non-luminous radiation). YO duvar sıcaklığının daha doğru hesaplanabilmesi için radyasyon ısı transferinin de hesaba katılması gerekmektedir. Radyasyon ısı transferinin hesaba katılarak duvar sıcaklığı hesaplamanın en sıcak noktada duvar sıcaklığını azalttığı bilinmektedir. Yüksek basınç ve yüksek sıcaklık koşullarında deney yapmanın maliyeti ve zorluklarından dolayı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ve Eşlenik Isı Transferi (Conjugate Heat Transfer, CHT) duvar sıcaklığı hesaplamada önemli bir araç haline gelmiştir. CHT yöntemi YO akışkan hacmini (alev tüpü, dış kanal) ve katı kısmını (YO duvarı) birlikte modelleme imkanı sunmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında sıcak yanma gazlarının radyasyon ile ısı transferi modellenmiş ve radyasyon ısı transferinin YO duvar sıcaklığına etkisi gözlenmiştir. Bunun için küçük bir turbojet motoru yanma odası HAD ve CHT yöntemleri kullanılarak modellenmiş ve duvar sıcaklıkları hesaplanmıştır. Yapılan çalışma sonucunda radyasyon ısı transferinin duvar sıcaklıklarını düşürme eğiliminde olduğu gözlemlenmiştir. Duvarın en sıcak noktasında radyasyon hesaba katılmadığı durumda sıcaklık 1310 K iken radyasyonun hesaba katıldığı durumda sıcaklık 1140 K olarak hesaplanmıştır. Aynı koşullarda yapılan test sonuçları ile karşılaştırıldığında ise elde edilen sonuçlara göre radyasyon ısı transferinin de hesaba katılması halinde test sonuçlarına daha yakın sonuçlar elde edildiği görülmüştür. Tez çalışması kapsamında üç farklı çözüm ağı sayısı (900 bin, 3.4 milyon ve 9.7 milyon) kullanılmış ve 3.4 milyon ve 9.7 milyonluk çözüm ağlarının yakın sonuçlar verdiği görülmüş ve sonraki çalışmalar için 3.4 milyonluk çözüm ağı kullanılmıştır. Bu çözüm ağı kullanılarak farklı türbülans modelleri, yanma modelleri için analizler yapılmış ve YO duvar sıcaklıklarına etkisi incelenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre Relizable k-ε turbulence modeli ve Hybrid Eddy Break-up yanma modeli en uygun modeller olarak görülmüştür. Ayrıca duvar ve dış kabuk yayma oranı (emissivity) ve türbülanslı Schmidt ve Prandtl sayısının duvar sıcaklıklarına etkisi de incelenmiştir. Ayrıca türbülansın modellenmesinde kullanılan iki yaklaşım Large Eddy Simulation (LES) ve Reynolds Averaged Navier Sokes (RANS) ile yanma odası içinde ve astarda elde edilen sıcaklık dağılımları karşılaştırılmıştır.
Borulu tip radyant ısıtıcılarda yanmanın nümerik modellenmesi
Bir ısıtma sürecinin verimliliğinin arttırılması, ısıtma amaçlı harcamaların azaltılması anlamına gelmektedir ve uzun yıllardır ekonomik ısıtma yöntemi araştırılan bir konudur. Çalışma kapsamında bir oda içerisine yerleştirilmiş U tipi radyant borunun içerisindeki yanma olayı ve dış ortamda meydana gelen değişimler Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği programı (HAD) yardımıyla nümerik olarak incelenmiştir. Yapılan bu hesaplamalar literatürden alınan deneysel verilerle kıyaslanmıştır. Ayrıca türbülans modeli, radyasyon modeli, ısıl güç ve hava fazlalık katsayısı parametreleri değiştirilerek, bu değişimlerin radyant ısıtcı duvar sıcaklığına, radyant ısıtıcı içerisindeki sıcaklık dağılımına ve dış ortamdaki sıcaklık dağılımına etkisi araştırılmıştır. Nümerik çalışmalarda Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) programı olarak Fluent paket programı kullanılmıştır. Hesaplamalar üç boyutlu olarak gerçekleştirilmiştir. Türbülans modeli olarak Standart k-ε, RNG k-ε model ve Realizable k-ε model ayrı ayrı uygulanmıştır. Yanma modeli olarak türlerin taşınımı (species transport) modeli içerisinde yer alan eddy dissipation modeli uygulanmıştır. Radyasyon modeli olarak DO model ve P1 model ayrı ayrı uygulanmıştır. Sonuçlar incelendiğinde P1 radyasyon modeli ve Standart k-ε model kullanılması durumunda elde edilen nümerik sonuçların deneysel sonuçlara oldukça yaklaştığı görülmüştür. En iyi sonuçların elde edildiği P1 radyasyon modeli ve Standart k-ε modelin kullanıldığı durumlarda oluşan maksimum yüzey sıcaklıkları 700 K civarlarındayken, deneysel olarak bu değer 655 K civarlarında çıkmıştır. DO radyasyon modeli ile elde edilen sonuçlarda ise oldukça yüksek sıcaklıklar oluşmuştur ve maksimum yüzey sıcaklıkları 900-950 K değerleri arasındadır. Nümerik hesaplamalarda ısıl gücün artması ve hava fazlalık katsayısının azalması, oda içerisinde oluşan sıcaklıkların artmasına sebep olduğu belirlenmiştir.
Üç fazlı ısı borularında ısı transferinin deneysel incelenmesi
Yüksek ısı transfer kapasitesine sahip iki fazlı ısı borularının kullanım alanları oldukça yaygındır. Çeşitli uygulama alanları bulunan iki fazlı ısı boruları ile ilgili olarak yapılmış çok sayıda deneysel ve teorik çalışma mevcut olup, iki fazlı ısı borularına katı partikül eklenerek oluşturulan üç fazlı ısı boruları hakkında literatürdeki çalışmalar çok kısıtlıdır. Literatüre katkı sağlanması için, üç fazlı ısı borularında ısıl performansın, ısıl direncin ve ısı transfer katsayısının değişimi incelenmiştir. Yapılan bu çalışmada 15mm ve 20mm olmak üzere iki farklı çapta ısı borusu kullanılmış, deneyler üç farklı eğim açısında (90°, 60° ve 30°) ve "Saf su", "Saf su+PA6", "Saf su+PA66" ve "Saf su+PA6+PA66" karışımlı olmak üzere 4 farklı iş akışkanı ile yapılmıştır. Deneyler yapılırken sisteme evaporatör bölgesinden kademeli olarak 8.07 kW/m2, 16.99 kW/m2, 25.05 kW/m2 ve 37.15 kW/m2 ısı yükleri verilerek ölçümler kaydedilmiştir. Sonuç olarak iki fazlı ve üç fazlı ısı borularında evaporatör bölgesinde kaynama ile gerçekleşen ısı transferi katsayısındaki değişimler karşılaştırıldığında genel olarak üç fazlı sistemlerde iki fazlı sistemlere göre kötüleşme meydana gelmekle beraber kısmen iyileşme de gözlenmiştir. 20mm çaplı ısı borularında ısı transfer katsayısında iyileşme en fazla 60° eğimde "Saf su+PA6+PA66" karışımlı durumda 16.99 kW/m2 ısı yükünde %64 oranında gerçekleşmiştir. 15mm'lik ısı borularında ise en fazla 60° eğimde "Saf su+PA66" karışımlıda 8.07 kW/m2'de %96 oranında meydana gelmiştir.
Laboratuvar ölçekli yeraltında kömür gazlaştırma reaktörünün hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile yapay gaz üretiminin analizi
Yeraltında kömür gazlaştırma işlemi, kömür cevherinden, geleneksel madencilik yöntemlerinden farklı bir şekilde, yanıcı gaz elde edilerek faydalanılmasını sağlayan bir teknolojidir. Bu yöntemde, yeraltındaki kömür damarına sondaj yapılarak, sırasıyla, besleme kuyusu ve üretim kuyusu olarak isimlendirilen iki adet kuyu açılmaktadır. Besleme kuyusudan gazlaştırma ajanı olarak adlandırılan hava, saf oksijen, su buharı, karbondioksit veya bunların karışımından olan gazlar gönderilmektedir. Beslenen gazlar yeraltındaki kömür ile yanma ve gazlaşma tepkimelerine girerek kömürden ikincil bir yakıt elde edilmesini sağlamaktadır. Yapay gaz olarak adlandırılan bu ikincil yakıt ise üretim kuyusundan toplanarak yüzeye çıkartılır. Üretilen yapay gazın içeriğinde büyük oranda CO2, CO, H2 ve CH4 görülmektedir ve bu içerik sayesinde enerji ve hammadde kaynağı olarak çeşitli endüstriyel işlemlerde kullanılmaktadır. Yeraltında kömür gazlaştırma işlemi özellikle madenciliği ekonomik olmayan kömür yatakları için gelecek vaat etmektedir. Ancak YKG işlemi kontrolü zor ve çıktıları zamana bağlı olarak değişen bir süreçtir. Ayrıca işlem çıktıları kömür ve kömür yatağının özelliklerine göre büyük oranda değişmektedir. YKG işlemindeki bu değişkenliğin, çıktıların tahminini zorlaştırdığı açıktır. Süreç tahminini kolaylaştırmak için pilot denemeler ve saha deneyleri yapılmaktadır. Ancak bu deneme çalışmaları pilot ölçekli tesis kurulumu gerektirdiği için oldukça maliyetlidir. Saha deneyleri yerine son yıllarda laboratuvar ölçekli YKG deney tesisatları kurularak düşük maliyetlerle çeşitli kömürlerin YKG işlemine ve işlem parametrelerine etkisi ölçülebilmektedir. Tüm bu deneysel çalışmaların yanında YKG işlemi için matematiksel model geliştirme çalışmaları da yürütülmektedir. Matematik modeller sayesinde deneysel çalışmalarla da elde edilmesi mümkün olmayan veriler elde edilebilmektedir. Bunun yanında farklı işletme parametreleri de daha hızlı ve az maliyetle test edilebilmektedir. Bu tez kapsamında yeraltında kömür gazlaştırma işlemi için süreç sırasında görülen kinetik reaksiyonları kullanan 2 boyutlu, zamana bağlı matematik model geliştirilmiş ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile matematik modelin çözümü elde edilmiştir. YKG işleminin gerçekleştiği kömür bloğu gözenekli olarak modellenmiş ve kömür içerisinde gerçekleşen kuruma, piroliz, homojen ve heterojen reaksiyonlar model içerisinde yer almıştır. Kömürün gözeneklilik değeri, kömürün nem, kül, uçucu ve sabit karbon içeriğine bağlı olarak değişken ele alınmıştır. Böylece, reaksiyonlar neticesinde gerçekleşen kömür tükenimi modellenmiştir. Bu kömür tükenimi sırasında aynı zamanda kömür içindeki oyuk (kavite) oluşumu da modellenmiştir. Kömür bloğunun yanında gazlaştırma ajanları ve yapay gaz akışının gerçekleştiği gazlaştırma kanalı modele dahil edilmiştir. Gözenekli ortam olarak kabul edilen kömür bloğunda ve gazlaştırma kanalında momentum, kütle korunumu ve enerji korunumu denklemleri yardımıyla momentum, ısı ve kütle transferi hesaplanmıştır. Gazlaştırma kanalı ve kömür bloğu içinde gerçekleşen türbülanslı akış etkileri ise k-ε modeli ile hesaplanmıştır. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemini kullanan ANSYS Fluent paket programı kullanılarak modelin sayısal çözümü sağlanmıştır. Sayısal çözüm çalışması için kullanılan geometri olarak, İTÜ Makina Fakültesinde, TÜBİTAK projesi kapsamında kurulan laboratuvar ölçekli YKG tesisatının reaktörü kullanılmıştır. Matematik model çözümünün doğrulanması, yine aynı deney tesisatında gerçekleştirilen bir deneysel çalışma ile yapılmıştır. Bu deneysel çalışmada Malkara-Pirinççeşme/Tekirdağ bölgesi linyit örneği ile oksijen ve su buharı kullanarak gazlaştırma işlemi yapılmıştır. Numerik sonuçların deneysel çalışmalar ile doğrulanmasında sonra YKG işleminde görülen oyuk (kavite) gelişimi, sıcaklık, kimyasal bileşen dağılımı sonuçları verilmiştir.
Turbocharger inlet temperature observer model for diesel internal
Day by day while customers are expecting better performance and lower fuel consumption from their vehicles, emission regulations are being made more stringent to reduce the environmental impact of exhaust gases. On the other hand, vehicle manufacturers have to produce vehicles that provide high performance, low fuel consumption and legal emission limits that will provide both customer and regulatory requirements. In order to meet these challenging targets, advanced vehicle and exhaust aftertreatment control systems are needed. The importance of model based motor control is increasing, with the use of advanced control systems, as system response is fast and vehicle production costs are reduced. Exhaust manifold gas temperature is an important parameter for vehicle, engine and exhaust aftertreatment control systems, and affects engine performance and aftertreatment system selection. Some cases where the exhaust gas temperature is important can be listed; the exhaust gas is bypassed in fixed geometry turbocharged engines to provide exhaust gas transfer at higher temperatures to the aftertreatment systems.The EGR system is an effective system for reducing NOx emission values. The exhaust gas temperature is an important parameter in the control of the EGR system and in high pressure EGR engines, it is also effective both the intake manifold temperature and the EGR gas cooler operating points determination. The throttling of intake air is usually used for "engine regen mode", for cleaning diesel particulate filter (DPF). The manifold pressure is reduced by intake throttling thus reducing the amount of air taken into the engine. In this case, the engine will have a richer air-fuel mixture and the engine exhaust gas temperatures will increase and high temperature exhaust gas is used to clean the DPF. Another function of the engine control unit, where the exhaust gas temperature is important, is the function of turbocharger and engine protection. The exhaust gas temperature is used to prevent the turbocharger system from exceeding the maximum operating temperature, so that the system is not damaged in hardware. In addition, high exhaust gas temperatures that may occur after combustion can cause piston scuff to prevent this adverse condition exhaust gas temperature is also used in engine protection functions. In general, the exhaust gas temperature can be considered as an important parameter for functions such as performance, emission and engine hardware protection in internal combustion engines. Many academic studies have been carried out to model the exhaust gas temperature, which is an important parameter for internal combustion engines. In these studies in order to model the exhaust gas temperature, system models related to vehicle driving, models using in-cylinder pressure values, models using artificial neural network, mathematical and thermodynamic models and exhaust gas temperature observer models were used. This thesis study aims at predicting the modeled exhaust gas temperature value with higher accuracy by taking advantage of the exhaust gas observer model study. This model contains; obtaining open-loop exhaust temperature (T3) value by regression model using data collected from steady state speed-torque points, providing the turbocharger outlet temperature value generated by adiabatic expansion using the obtained T3 value, calculating catalyst inlet temperature using heat loss formulas between turbocharger outlet and catalayst inlet. It is aimed to compare the modeled T4 temperature values with the sensor values and to predict the T4 temperature with using Kalman Filter so that the modeled T3 temperature value converges to the measured T3 temperature value. The obtained T3 model was validated at both steady-state and transient maneuvers. In order to obtain the open loop exhaust temperature by regression method, test measurements were taken at steady-state engine speed-torque points in the engine dynamometer at 1000rpm-4500rpm at different engine coolant temperatures. Before taking the Diesel engine to the engine test room, necessary instrumentation such as pressure, temperature, turbine shaft speed was made and taken to the dynamometer pallet. Engine tests were run in the test chamber which contains, dynamometer to create counter-load for engine, engine inlet air conditioner, engine coolant conditioner, intercooler conditioner, oil conditioner, fuel conditioning and flow meter, in-cylinder pressure meter, blow-by meter and the emission devices. Using the obtained test data, the T3 temperature value is modeled as an open loop using variables affecting the exhaust gas temperature. Besides T3 model, turbocharger efficiency and turbocharger shaft speed were modeled by regression method. In the next step, the turbocharger outlet gas temperature value is calculated from the equation of work done by adiabatic expansion of the turbocharger system using T3 temperature data estimated by the regression method. During this calculation, the turbocharger efficiency values obtained by both the regression method and the instrumentation data calculation can be used. Using the temperature value obtained from the turbocharging isentropic expansion equations, the heat losses up to the pre-catalyst fraction were calculated and the catalyst inlet temperature (T4) value was obtained. The calculated T4 temperature is compared to the T4 temperature sensor value required to drive the emission regulation and control of the exhaust aftertreatment systems. With using Kalman Filter, T4 temperature value is predicted then compared with the measured T4 temperature value. T4 differences is added to the open loop temperature T3 to minimize the T3 error. When we compare the temperature data obtained by using Kalman Filter, which is generated by the data received at the steady state speed-torque points, the error amount of the modeled T3 value decreases compared with the open loop regression model.
Ağır ticari aracın dizel motoruna ait egzoz manifoldunun ısıl olarak incelenmesi
Geçmişten günümüze motor teknolojisindeki gelişmeler ile içten yanmalı motorlardan talep edilen güç paralellik gösterir ve buna bağlı emisyondaki sıkı düzenlemeler artmaktadır. Özellikle emisyon verimliliği ve yakıt tüketimi egzoz manifold tasarımına bağlıdır. Egzoz manifoldu, motor silindir kafasının üstüne monte edilen, içten yanmalı motorun en kritik parçalarından biridir. İçten yanmalı motorun performansını belirlenmesinde önemli bir etkisi vardır. Egzoz manifoldunun bir ucu egzoz girişleri ile direk olarak motor yanma odasına, diğer ucu eğer turboşarjlı bir motor ise turbine bağlıdır. Motorun çalışmaması durumunda düşük sıcaklıklara sahip egzoz manifoldu, motorun çalışması sırasında silindir içinde patlama sonucu oluşan yüksek sıcaklıklara maruz kalır. Metal sıcaklıkları oda sıcaklığından yüksek sıcaklıklara hızlı bir şekilde çıkar. Sıcaklıklardaki bu yüksek değişim, egzoz manifoldu üzerinde yüksek gerilmelere sebep olur. Konstrüktif sebepler dahilinde hareketi kısıtlanan egzoz manifoldu serbestçe genleşemez ve ısıl-mekanik zorlanmalara maruz kalır. Yüksek sıcaklık, kendi bünyesindeki parçaları ve/veya çevresinde çalışan diğer fonksiyonel gruplarıda etkiler. Bu bölgelere yakın yerleştirilen parçalar aşırı ısınabilir ve görevini yapamaz hale gelebilir. Bu yüzden tasarım aşamasında komponentlerin yerleştirilmesi üzerinde dikkatlice düşünülmesi gereken bir konudur. Hesaplamaların dizayn aşamasında yapılması önem arz eder. Yüksek sıcaklıkta malzemelerin mekanik özelliklerindeki düşüş, egzoz manifoldunun titreşim karakteristliğinin de değişmesine neden olmaktadır. Çalışma şartları altında motor veya yoldan gelen uyarılar, egzoz sisteminin doğal frekansları ile çakışması sonucunda sistemin rezonansa girmesine neden olacaktır. Rezonansa giren bir sistemin salınım genliği çok artacak, herhangi bir sönüm elemanı olmadığı halde teorik olarak sonsuza gidecektir. Genliklerin bu şekilde büyümesi egzoz manifolduna ve/veya manifolda bağlı diğer alt grup bileşenlere zarar vereceği kaçınılmaz son olacaktır. Tasarım sürecinde, optimum ve verimli bir ürün ortaya koyabilmek için, içten yanmalı dizel motorların ısıl olarak incelenmesi kuşkusuz ki yapılması gereken önemli çalışmalardan bir tanesidir. Bu bağlamda egzoz sistemleri için ısı geçişi performansının doğru ve hassas incelenmesi büyük önem taşımaktadır. Bilgisayar destekli mühendislik (BDM) motor tasarım sürecinin erken aşamasında, egzoz manifolduna yön verecek etkili bir araçtır. Dinamometre dayanım deneylerinin uzunluğu ve maliyetli olması, BDM çalışmalarının önemini daha da arttırmıştır. BDM ile tasarımın ilk evrelerinde kritik bölgeler belirlenir ve zaman kaybetmeden gerekli önlemlerin alınması sağlanır. Her ne kadar güçlü BDM yaklaşımınız olsa da, geliştirme sürecinin sonunda tasarım doğrulama amaçlı motorun kritik çalışma şartları için çeşitli deneyler dinamometre odalarında gerçekleştirilir. Bu çalışmada bir adet ağır ticari araca ait 13 litre dizel moturunun kararlı hale oturmuş maksimum güç çalışma noktası için egzoz manifold metal sıcaklığı deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Deneysel çalışmalarda ilk adım olarak dinamometre deneyinde motorun kararlı rejime oturmuş farklı çalışma şartları için nominal deney verileri (sıcaklık, basınç vb.) toplandı. Daha sonra motor maksimum güç bölgesinde çalıştırılarak egzoz manifold üzerinden termal kamera ve termoelemanlar ile sıcaklık ölçümleri gerçekleştirildi. Sayısal çalışmaları üç ana başlık altında toparlamak mümkündür. İlk adım olarak, dinamometre deneyi ile uyum sağlayan bir boyut (1B) motor performans modeli kuruldu. Dinamometre ölçümlerinde kabul edilebilir hata bantları arasında kalacak şekilde analizler tamamlandı. Motorun maksimum güç çalışma bölgesi için egzoz manifold giriş ve çıkış sınır şartları çıkartıldı. İkinci adımda sonlu hacimler metodu ile üç boyutlu hesaplamalı akışkanlar mekaniği (3B HAD) analizleri yapıldı. Eş-Benzetim tekniği ile akışkan ve katı çözüm alanları farklı sistemler olarak modellendi. Akış modeli zamana bağlı, katı model ise zamandan bağımsız olarak analizler tamamlandı. Belirlenmiş zaman aralıklarında birbirleri ile veri aktarımı yaparak analizler tamamlandı. Üçüncü adım olarak Optimate+ yazılımı ile SHERPA algoritması kullanılarak dış ortam ısı taşınım katsayısı optimizasyon çalışması yapıldı. Egzoz manifoldu dış yüzeyi 88 parçaya bölünerek her bir parça için dış ortam ısı taşınım katsayısı değişken olarak tanımlandı. Egzoz manifold metal yüzeyinde bulunan kontrol noktalarında sıcaklık değerleri deney verilerine yakınsayacak şekilde ısı taşınım katsayıları elde edildi. İlk yapılan Eş-Benzetim analizleri sonucunda egzoz manifold metal sıcaklığı deney verileri ile kıyaslandığında en büyük fark + %37 mertebelerinde bulundu. Optimize edilen dış ortam ısı taşınım katsayıları ile analiz sonucunda en büyük farkın - %9'a kadar indiği gözlemlendi. Bir kontrol noktasının dışında her bir kontrol noktası için sonuçların iyileştiği görüldü. Kabul edilebilir hata ile egzoz manifoldunun sıcaklık dağılımı doğru hesaplanmıştır. Bu sayede dayanım hesaplarının güvenli bir şekilde yapılmasına olanak sağlanmıştır. Böylece erken tasarım aşamalarında yapısal zayıflıklarının önüne geçilir ve en az maliyet ile optimum ürün elde edilir.
Numerical investigation of convective-diffusive transport using the smoothed particle hydrodynamics technique
In this thesis, Incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics (ISPH) technique is implemented to analyze various convective-diffusive transport problems numerically. First of all, a brief summary of applications and developments in SPH is given. Then, SPH methodology is presented. A detailed discussion on frequently used high order SPH approximation schemes is made and an expansion of existing projection methods developed for isothermal flow to non-isothermal and double-diffusive flows is introduced. The code developed during this thesis study is validated for isothermal problems such as lid-driven cavity and vortex spin-down. Furthermore, in order to test the upper limit of accuracy of SPH computations, a grid-based ISPH approach is proposed. Grid-based ISPH is applied to natural convection in a square cavity problem and the results are compared to the data available in the literature. Similar to gridbasedISPH code, meshless ISPH code is used to solve natural convection problems. Rayleigh-B´enard convection is studied and multiple states of the solutions are obtained. Moreover, natural convection is investigated at the onset of instability in which multicellular and oscillatory flow patterns are observed. Apart from natural convection, ISPH code also introduced to double-diffusive transport problems. In terms of double-diffusion, ISPH performance in aiding and opposing flows are provided. Furthermore, ISPH code is also implemented to two-phase flows. In the context of two-phase flows, topological changes of the interfaces and Rayleigh-Taylor instability problems are simulated. ISPH results for two-phase flow are compared to results obtained by Level Set Method.
Measurement of near-field radiative heat transfer between plane parallel plates at nano-scale gaps
This thesis establishes a methodology and experimental setup for measuring radiative heat transfer between nano-spaced plane-parallel plates. It uses a setup with two plane-parallel substrates, one heated, one cooled, at a fixed distance from one another. The temperature measurements are carried out by temperature probes on each substrate. The heat flux input is provided by an external focused laser source. The measurement of flux is carried out by diverting a percentage of the incoming light to a photodiode. The stabilization of heat flux is achieved by passive cooling. The measured data are to be evaluated based on its comparison with published numerically calculated results, which indicate an exponential increase in net radiation heat transfer as plate spacing decreases from 100 to 1nm.
Hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile reküperatör tasarımı ve ısıl analizi
Üretim teknolojisinin hızla gelişmesi ile fosil yakıtların verimli kullanımı için ergitme ve tav fırınlarındaki CO_2 salınımı en fazla dikkat edilmesi gereken unsurdur. Atık ısı geri kazanım sisteminin yoksunluğu ve ergitme fırınlarında yanma veriminin arttırılması için ek çabalar harcanmadığı takdirde ne yakıt tüketiminde ne de CO_2salınım azaltıcı hedeflerin hiç birinin yerine getirilmesi imkansız durumu gelecektir. Dolayısıyla küresel ısınma için sera etkisi ve hava kirliliği,endüstriyel fırınlardaki artan yakıt tüketimi ile ciddi boyutlara ulaşacaktır. Endüstriyel alanda gerçekleşecek bu durumun önüne geçebilmek için değerli olan atık ısının havaya direkt olarak atılmadan önce enerjisinin bir kısmını geri kazanabilecek atık ısı geri kazanım sistemlerine gerek duyulmaktadır. Endüstriyel alanda kullanımı giderek artması ile piyasada rekabetin arttırılması için ergitme ve tav fırın sıcaklıklarına göre farklı tasarımların geliştirilmesi sağlanmıştır. Aynı zamanda az teorik ömüre sahip olan sistemler için hem malzeme cinsi hem malzeme üzerine kaplama yöntemleri üzerine de araştırma ve geliştirmeler sürmektedir. Genel itibari ile sanayilerde bulunan ergitme ve tav fırınlarında iki tip atık ısı geri kazanım sistemi bulunmaktadır. Bunlar sırasıyla reküperatörler ve rejeneratörlerdir. Özellikle rejeneratörlere oranla daha az yer kaplayan ve fırınadaha uniform (eş değer) sıcaklıkta yakma havasının gönderilmesini sağlayan reküperatörler, kullanımı giderek artmaktadır. Endüstriyel reküperatörler içerisinde atık gaz sıcaklığına bağlı olarak modüler alternatif tasarımların sunulması ve bu tasarımlarınatık gazın ısıl enerjisinden iki kez taşınım yoluyla ısı transferini gerçekleştiren kanal tipi reküperatörler, enerjinin yoğun tüketildiği bir çok sanayide tercih durumuna gelmiştir. Kanal tipi reküperatörler günümüzde çalışma sürelerine bağlı olarak teorik ömür süreleri 2-4 yıl arasındadır. Değerli atık ısının daha fazla geri kazanımı ve teorik ömür sürelerinin arttırılması için kanal tipi reküperatörleraraştırma ve geliştirmelerin temel odak noktası durumundadır. Bu yüksek lisans tez çalışmasında, ticari kanal tipi reküperatör üreticisinin bir çelik üretim tesisinde belirlemiş olduğu ısıl veriler dikkate alınarak, reküperatör tasarımı nümerik hesaplamalar ile elde edilmiştir. Çelik üretim tesisinin reküperatör sistemi için ayırdığı bölgeye istinaden tasarım kriterleri dikkate alınarak boru dizilim optimizasyonu yapılmıştır. Yakma havasının reküperatöre giriş ve çıkışında 14 adet boylamasına 13 adet ise enlemesine boru adetleri olacak şekilde tasarımı yapılmıştır. Hesaplamalı akışkan dinamiği yöntemi için hesaplama süreleri önemli bir parametredir. Dolayısıyla tasarlanan reküperatörün enlemesine 1/26'sı alınarak sonlu elemanlara dönüştürülmesi sağlanmıştır. Ticari reküperatör üreticisi tarafından verilen ısıl değerlere istinaden elde edilen nümerik hesaplamalar aynı şekilde 1/26'lık sistem için oluşturulmuştur. Taşınım yoluyla ısı transferini gerçekleştirecek olan sistemin boru (duvar) yüzey bölgeleri sayesinde oluşan hız ve ısıl sınır tabakalarının nümerik hesaplanması yapılmış olup. ANSYS mesh yazılımı ile 1/26'lık reküperatör modelinin sonlu elemanlara dönüştürülmesi sağlanmıştır. FLUENT yazılımı ile hesaplamalı akışkanlar dinamiği çözümlemeleri için 1/26'lık modelden elde edilen nümerik hesaplamalar, atık gaz ve yakma havası için sınır şartları oluşturmuştur. Özellikle sanayi akış problemlerinde, k-ε türbülans modeli seçimi yapılarak çözümleme yapılır. Bu türbülans modelinin en gelişmişi olarak realizable k-ε türbülans modeli çözümleme için kabul edilerek kontrol hacimlerinde akışın incelenmesinde yararlanılmıştır. Birinci dereceden ve ikinci dereceden nümerik ayrıklaştrma yöntemleri kullanılmış ve birbirleriyle karşılaştırılması yapılmıştır. İkinci dereceden ayrıklaştırma yönteminin daha hassas sonuçlar üretmesi sebebiyle akışın modellenmesi ve incelenmesi için elde edilen değerler dikkate alınmıştır. Ayrıca sonuçların örgü (mesh) yapısına bağlı olup olmadığı da kontrol edilmiştir. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği yönteminde elde edilen sonuçlar ile nümerik olarak tasarımı yapılan reküperatörün karşılaştırılması yapılmıştır ve sonuçlar arasında ufak farklılıklar görülmüştür. Bunlar ise sırasıyla yakma havasının biraz daha fazla yüksek sıcaklığa ulaşmasından ve atık gazın ise daha düşük sıcaklıkta sistem atılmasından kaynaklanmıştır. Ticari reküperatör üreticisitarafından yapılan reküperatör tasarımı ile hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile elde edilen sonuçların yakıt tasarruf oranları üzerine karşılaştırılması yapılmıştır. Modelin hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile çözümüyle elde edilen değerlere istinaden yakıt tasarruf oranının yaklaşık %24 olduğu görülürken, ticari reküperatör üretici tarafından aynı ısıl şartlara istinaden yapılmış tasarımda ise bu değer %17,84'tür. Ayrıca nümerik olarak hesaplanan reküperatör tasarımının elde edilen ısıl verimliliği (etkenliği) %45,22 iken, modelin hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi kullanılarak çözümünde elde edilen verim değeri ise %49,4 olduğu görülmüştür.
FDM (Faz Değiştiren Malzeme) esaslı bir batarya ısıl yönetim sisteminin modellenmesi ve farklı parametrelere göre sayısal analizi
Günümüzde kullanım alanı giderek artan batarya güç sistemlerinin, kullanımları esnasında iç yapılarında üretilen ısı enerjisi kaynaklı birçok problemin olduğu bilinmektedir. Literatürde, lityum iyon bataryaların ideal çalışma sıcaklık aralığının -20 °C ile 60 °C arasında olduğu ifade edilmektedir. Bu çalışmamızda üç satır ve yedi sütundan oluşan bir batarya sisteminin, faz değiştiren malzeme esaslı bir batarya termal yönetim sistemi kullanılarak soğutulması üzerine çalışılmıştır. Sabit ve değişken ısı üretimi durumlarına göre çalışılmıştır. Sabit ısı üretimi durumunda; FDM uygulanmamış, FDM uygulanmış ve FDM ve kanat uygulanmış olmak üzere üç farklı sistem için ve zorlanmış taşınım altındaki havanın dört farklı Reynolds sayısı değeri, iki farklı FDM tipi ve üç farklı ısı üretim değeri gibi üç farklı parametre için COMSOL kullanılarak sayısal analizler gerçekleştirilmiştir. Değişken ısı üretimi durumunda; FDM uygulanmamış ve FDM uygulanmış olmak üzere iki farklı sistem için zorlanmış taşınım altındaki havanın Reynolds sayısı değerinin 50 olduğu ve batarya hücrelerinin 3C ile deşarj edildiği durum için COMSOL kullanılarak sayısal analizler gerçekleştirilmiştir. Batarya paketi boyunca havanın akış çizgileri, batarya hücrelerinin maksimum sıcaklık değerleri, batarya hücrelerinin sıcaklık değerlerinin 60 °C'ye ulaşması için geçen süre, batarya paketindeki sıcaklık dağılımı ve batarya hücrelerini çevreleyen FDM'nin faz değiştirme süreci esnasındaki davranışı incelenmiştir.
Kare engelli kapalı muhafazalarda laminer doğal taşınımın ısı ve akış analizi
Bu çalışmada, üç adet adyabatik kare engelin farklı konumlarda yerleştirildiği kare bir boşluk içerisinde laminer rejimde gerçekleşen doğal taşınım ve üçlü (ternary) akışkan akışı sayısal olarak incelenmiştir. Analiz, kare engellerin konumlarının ve Rayleigh sayısının (103 ≤Ra≤ 107) ısı transferi ve akış üzerindeki etkilerine odaklanmaktadır. Akış sabit, laminer ve sıkıştırılamaz kabul edilmiştir. Kare boşluğun karşılıklı dikey duvarları sırasıyla ısıtılmış ve soğutulmuş; diğer duvarlar ve engel yüzeyleri ise adyabatik sınır koşullarına tabi tutulmuştur. Sayısal çözümler, sonlu hacim yöntemi kullanılarak ANSYS Fluent yazılımı aracılığıyla gerçekleştirilmiştir. Mekansal ayrıklaştırma; gradyanlar için Green-Gauss node-based, basınç için PRESTO, momentum ve enerji denklemleri için ise ikinci dereceden ayrıklaştırma (second-order upwind) şemalarıyla yapılmıştır. Basınç alanının elde edilmesi ve kütle korunumunun sağlanması için SIMPLE algoritması kullanılmıştır. Ortalama Nusselt sayısına, Rayleigh sayısı ve engel konumlarının etkileri irdelenmiştir. Farklı engel konfigürasyonları ve Rayleigh sayısına karşılık gelen akım ve eş sıcaklık eğrileri sunulmuş; akış ve ısı transferi karakteristikleri ayrıntılı olarak değerlendirilmiştir.
Periyodik daralan–genişleyen mini kanalda kaynama davranışının incelenmesi
Mühendislik uygulamaları içerisinde özellikle soğutma sistemlerinin gelişmesine bağlı olarak mini kanallarda ısı transferi ve iki fazlı akış incelemeleri büyük oranda güncelliğini korumaktadır. Mini kanallarda iki fazlı akışın kontrolü optimum şartlarda ve boyutlarda daha etkin bir sistemin tasarlanması için büyük bir öneme sahiptir. Tek ve iki fazlı akışlarda ısı transferinin iyileştirilmesi aktif ve pasif olmak üzere iki yöntem ile sağlanmaktadır. Bu çalışmada kanal geometrisi periyodik olarak daralan – genişleyen dikdörtgen bir mini kanalda kaynama incelenmiştir. Çalışma akışkanı olarak R-134a kullanılmıştır. Mini kanallar H/R=1 (düz), H/R=0,8 ve H/R=0,5 üç farklı tipte olacak şekilde imal edilmiştir. Mini kanal hidrolik çapı (Dh)1,83 mm' dir. Deneyler, soğutucu akışkanın üç farklı kütle akılarında (G=100 – 200 – 400 kg/m2s), ısı akısının (q) 0 – 180 kW/m2 aralığında gerçekleştirilmiştir. Çalışma basıncı 3 ve 4 bar olarak sabitlenmiştir. Deneyler boyunca soğutucu akışkanın mini kanala giriş sıcaklığı -1°C de sabit tutulmuştur. Sıcaklık ve basınç ölçümleri ile eş zamanlı olarak akış kaynaması rejimleri yüksek hızlı kamera ile görselleştirilmiştir. Deneysel bulgularda ısıtma yüzey alanının kaynama olayında önemli bir etkiye sahip olduğu, daralan – genişleyen kanal geometrisinde maksimum ısı transfer yüzey alanında minimum direnç boyunun etkin olduğu, yüksek soğutucu akışkan debilerinde ısı taşınım katsayısının yüksek ancak çıkış kuruluk derecesinin düşük olduğu görülmüştür. Anahtar Kelimeler: mini kanal, kaynama, daralan genişleyen kanal, R-134a
Farklı alüminyum köpük alıcıları ile çapraz ve jet akışının deneysel olarak incelenmesi
Bu çalışmada, çarpmalı akışkan jet ve çapraz akışın birleşmesiyle, dikdörtgen bir kanal içerisine yerleştirilmiş olan metal köpük malzemelerin etkisiyle yüzey üzerindeki ısı transferi deneysel olarak incelenmiştir. Isı transferinin, çapraz akış ve jet akış ile 5 PPI, 10 PPI ve 20 PPI'lardaki metal köpükler kullanılarak ısı transferi deneysel olarak incelenmiştir. Farklı Reynolds sayıları ve kanal yüksekliği- jet hidrolik çapı (H/d) oranları için irdelenmiştir. Bu deney düzeneğinin tasarımını yaparken Solidworks programı kullanılarak katı modellemesi yapılmıştır. Sonuç olarak; çapraz ve jet akış ile farklı farklı PPI' lardaki metal köpükler birlikte kullanılarak; karşılaşma bölgesindeki alanın sıcaklığını azaltma etkileri araştırılmıştır. Re sayısının artması ile ısı transferinin artış gösterdiği, kanal yüksekliğindeki azalmanın yerel Nu sayısında belirgin bir artışa sebep olmadığı tespit edilmiştir.
Spiral mini kanallı evaporatör tasarımı ve analizi
Bu tez çalışmasında, gövde içerinde spiral mini kanallar içeren disklerden oluşturulmuş evaporatör tasarlanmış ve bu ısı değiştiricinin ısıl analizi gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan ısı değiştiricisi Spiral Mini Kanallı Evaporatör (SMKE) olarak adlandırılmıştır. Disk üzerinde oluşturulan mini kanallar tek girişli ve üç girişli olarak tasarlanmıştır. Gövde içerisinde spiral kanalların bulunduğu beş adet disk yer almaktadır. Disklerin her iki yüzeyine açılan mini kanallar ile akışkan, disk üzerinden iki kez geçebilmektedir. Diskler arasındaki akış, mini kanalların giriş ve çıkışlarına yerleştirilen rakor bağlantı elemanları ile sağlanmıştır. Disk üzerinde tek ve üç geçişli akış şartları karşılaştırılmıştır. Çalışma akışkanı olarak gövde içerisinde su, mini kanal içerisinde ise R134a kullanılmıştır. Çalışma basıncı 4, 4,5 ve 5 bar olarak seçilmiştir. Soğuk akışkan giriş sıcaklığı yaklaşık olarak 0°C, -3°C ve -6°C olarak belirlenmiştir. Deneyler üç farklı kütle akısında (150 kg/m²s, 200 kg/m²s ve 250 kg/m²s) gerçekleştirilmiştir. Gövde tarafında sıcak su giriş sıcaklığı 10,5°C ve 11,5°C arasında değişmektedir. Elde edilen verilere göre; spiral disk giriş sayısı arttıkça etkinlik artmaktadır. Mini kanal giriş sayısının artması aynı debide ancak daha düşük akışkan hızında akışın gerçekleşmesine neden olmaktadır. Bu durum ısı transferinde artış ile sonuçlanmaktadır.
Design of an air condenser for tumble dryers
Air condenser tumble dryers are those of the most energy consuming home appliances. Therefore, improving the performance of the condenser tumble dryers has recently drawn much attention in today?s world where the energy reserves continuously reduce. Among the various components of the tumble dryers, the condenser is the most important one. The first object of this study was to determine the factors that affect the performance of the condenser which is of the air-to-air heat exchangers. For this purpose a simple air condenser dryer energy model was developed and the effect of the condenser on energy consumption was investigated. A condenser testing unit was designed and constructed to measure the performance of the condensers. The test matrix was formed according to a ?Design of Experiment (DOE).? The tests of the existing benchmark condenser were conducted to determine the factors that affect the condenser performance. In the second part of the study two new condensers were designed and prototyped. One of two new condensers was tested in the condenser testing unit and the results were compared with the existing benchmark condenser. Finally, three condensers, that is, the existing benchmark condenser and two newly designed condensers, were tested in a benchmark air condenser tumble dryer. The test results showed that one of the newly designed condensers had much better performance than the benchmark condenser in terms of the condenser efficiency, the condensation rate, the water collecting efficiency and the energy consumption values, while the other newly designed condenser was slightly better than the benchmark one.
Heat transfer enhancement in a tube by variable cross section twisted tape
In this thesis, a numerical study is conducted to investigate the influence of spherical-shaped and teardrop-shaped patterned walls of twisted tapes on thermo-hydraulic performance enhancement. All patterned twisted tapes were investigated by using Ansys Fluent under a constant heat flux of 5 W/cm2 for Reynolds numbers (Re) within the range of 3000 – 27000. Besides, they have different pattern numbers (0, 30, and 45) and three different kinds of arrangement (composed of only dimples, only protrusions, and a combination of dimples and protrusions) with a constant twist ratio of 3. Furthermore, the configurations of teardrop patterned twisted tapes align in two different flow directions. The results show that the dense spherical dimpled-protruded twisted tape (D-DPT) and the dense teardrop dimpled-protruded twisted tape (D-TDP) reach the highest thermal performance factor (TPF) values of 1.508 and 1.517, respectively at Re=3000. All patterned twisted tapes have higher Nusselt number (Nu) values than traditional twisted tape (TT) in the tested Re region. Moreover, all dense versions of them have higher Nu and friction factor (f) than those of their sparse versions.
Çarpan jet termoakışlarında iki denklemli türbülans modelleri için model sabitlerinin modifikasyonu
Isıl jet akışları mühendislikte yaygın kullanım alanına sahiptir. Isıl jet akışlarındaki türbülans modelleri aynı zamanda literatür çalışmalarının da araştırma konusudur. Bu tez çalışmasında ANSYS FLUENT yazılımı kullanılarak farklı sınır şartlarına sahip 4 impinging jet geometrisi üzerinde modifiye edilmiş k-ɛ türbülans modeli ile çarpma bölgesindeki ısı transferi olayı hesaplamalı olarak gözlemlenmiştir ve literatürdeki deneysel çalışmalarla karşılaştırılmıştır.
Investigation of thermal performance of a ground coupled carbonated soft drink cooling system with an underground thermal energy storage tank
This study investigates the thermal performance of a ground coupled carbonated soft drink cooling system with an underground thermal energy storage tank. The system is composed of three main components: a chiller unit, a thermal energy storage (TES) tank, and a syrup room to be cooled. An analytical model was developed to determine the thermal performance parameters of the system using Duhamel's superposition and dimensionless variables to solve the transient heat transfer problem around the TES tank. The analytical model includes energy expressions for the main components as well as a solution to the heat transfer problem surrounding the TES tank. The hourly temperature variation of water in the TES tank and other performance parameters, such as Coefficient of Performance (COP), are calculated. To do this, a simulation model was developed using MATLAB software. The study investigated the effect of various system parameters such as the size of the underground thermal energy storage tank, soil type, and Carnot factor on the thermal performance of the system. The findings reveal that granite is the most efficient type of soil for the cooling process and that COP increases with increasing Carnot Factor and tank size. The results indicate that the ground coupled carbonated soft drink cooling system with an underground thermal energy storage tank is a feasible and energy-efficient solution for providing cooling for carbonated soft drinks. The system has the potential to reduce energy consumption and greenhouse gas emissions associated with traditional cooling systems.
Gemi ıslak alanının ısı değiştirici olarak kullanılmasına yönelik sayısal ve analitik inceleme
Son zamanlarda enerji verimliliğine verilen önem gemi inşaat sektöründe de derinden görülmektedir. Gemi ana makinelerinde enerji ve maliyet düşürücü birçok önlem uygulanmaktadır. Bu uygulamaların en temel olanları emisyon düşürücü ve ısıl önlemlerdir. Bilindiği gibi enerjinin en kalitesiz formu ısı enerjisidir. Mekanik veya kimyasal enerjinin ısı enerjisine dönüşmesi tüm proseslerde kaçınılmazdır. Bu nedenle enerji verimliliğinin artırılması için etkin ısıl yönetime ihtiyaç duyulmaktadır.Bu çalışmada gemi ana makine ceket suyu soğutması için mevcut deniz suyu soğutma devresi haricinde bir konsept tasarlanmakta ve böylelikle bu ısıl yönetim daha etkin bir şekilde sağlanmaktadır. Deniz suyu devresinin bertaraf edilmesi hem kurulum ve bakım-tutum maliyeti hem de devrenin canlı kalması için harcanacak enerjiden tasarruf edilmesini sağlamaktadır. Çalışmada modelin CFD ve analitik yönlemlerle simulasyonu yapılmakta, 5.14 m/s, 2.57 m/s , 0.1028 m/s gemi hızlarında ve deniz suyu 0 ile 40 C arasında 9 sıcaklık değerinde değiştirilerek sonuçlar elde edilmiş bu sonuçlar analitik sonuçlarla kıyaslanmıştır. Sonuç olarak bu konseptin istenilen soğutma yükünü karşılayabildiği görülmüştür.
Nümerical modelling of forced convection heat transfer in an open cavity
In this study, combined forced and natural convection heat transfer and fluid flow are examined in an open cavity. The effect of cavity geometries like cavity depth, cavity length, on heat transfer rate is investigated. As a flow parameter, Reynolds number, heat flux, heated wall position and Richardson number effect of the heat transfer are investigated. The cavity left wall is heated with constant heat flux, while other walls are kept at the adiabatic condition. The working fluid is assumed as air with Pr=0.71. For numerical analysis FLUENT Software is used in order to solve incompressible, two-dimensional, steady-state flow. For momentum and energy equations second-order upwind scheme is used. Length to depth ratio and height to depth ratio of the cavity is varied between 0.25Keyword: Isı geçişi = Heat transfer ; Zorlanmış taşınım = Forced convection
Değişik kaynak ağız formlarında ısı tesiri altındaki bölgenin ( ITAB ) bilgisayar simülasyon yöntemiyle 3-boyutlu olarak belirlenmesi
-VI- ÖZ Kaynak bölgesindeki sıcaklık dağılımı ve değişimi üzerine yapılan çalışmalar, metal bir yüzey üzerinde noktasal bir ısı kaynağının hareketi dikkate alınarak incelenmiştir. Gerçekte ise kaynak agızı içerisine sıcak metal ilavesi olmakta ve ısı sadece metal yüzeyinden verilmemiş olup arada kalan kaynak metalinden ana parçaya ve ortama yayılmaktadır. Bu çalışmada X-V-Y-K ve I kaynak agızı formlarının kaynak dikişi civarında oluşan Işı Tesiri Altındaki Bölgenin (ITAB) oluşumuna etkisi incelenmiştir. Isının iletimle malzeme içerisinden, bütün yüzeylerden ortama ise ışıma ve konveksiyonla olduğu dikkate alınarak sonlu farklar metodu kullanılmıştır. ITAB'nin sınırını belirten izoterm eğrilerinin konumu, sıcak bölgenin etkisiyle malzemede 700°C sıcaklığa ulaşan kaynak ağız formundan en uzak noktaların yeri olarak belirlenmiştir. K ağız formu hariç diğer ağız formlarında kaynak banyosunun ortasından geçen düşey eksene göre sag ve solda simetrik bir ITAB dağılımı görülmüştür. Bu simetrik ITAB dağılımı X-V-Y ve I ağız formlarının düşey eksene göre simetrik olmasından kaynaklanmaktadır. Maksimum ITAB büyüklüğü X ağız formunun ortasından geçen yatay eksen üzerinde görülmüş ve değeri 1.611mm dir. Kaynak istikameti boyunca ITAB da büyüme olduğu gözlenmiştir. Bu büyüme kaynağa başlama ve bitim noktalarına yaklaştıkça küçülmektedir. Bütün ağız formlarında malzeme yüzeylerine yaklaştıkça ITAB' m küçüldüğü görülmüştür.
Çeşitli kesit alanlı kanallarda gelişmekte olan akışta ısı transferinin numerik hesaplanması
Bu çalışmada, çeşitli kesit alanlı kanallarda dört ayrı laminar akış türünde (HGA, TGA, HTGA ve GA) ısı transferi katsayısı çeşitli sınır şartlarında (Sabit duvar sıcaklığı ve sabit ısı akımı) nümerik olarak hesaplanmıştır. Kanallarda ısı transferinin hesaplanması için Navier-Stokes ve enerji denkleminin birlikte çözülmesi gerekir. Hidrodinamik olarak gelişmekte olan akışta (HGA) Navier-Stokes denklemi çeşitli kanallarda çözülerek hız dağılımları, basınç kayıpları, sürtünme katsayıları ve giriş bölgesi ek basınç kayıp katsayıları bulunmuştur. Bulunan hız dağılımları enerji denklemine taşınarak sıcaklık dağılımları, ortalama ve yerel Nusselt sayılan hesaplanmıştır. Diferansiyel denklemlerin çözümünde sayısal metodlardan değişken adımlı sonlu farklar metodu kullanılmıştır. Sonlu farklar metodunun kanal bölgesine uygulanmasında bazı zorluklar meydana gelmiştir. Özellikle bu zorluklar koordinat sistemine göre düzgün geometriye sahip olmayan kanallarda duvara yakın bölgelerdeki noktalarda ortaya çıkmıştır. Buralarda adım uzunluklarının eşit olmaması türev ve integral işlemlerinde sıkıntılara yol açmıştır. Duvara yakın bölgelerde adım uzunluklarının eşit olmaması, türev büyüklüklerinin yeniden oluşturulmasını gerektirmektedir. Bu durum diferansiyel denklemlerin sistematik çözümünü engellemektedir. Bu gibi zorluklan ortadan kaldırmak için kanal bölgesine koordinat transformasyonu yöntemi uygulanmıştır. Bu yöntemle kanal geometrisi kare biçimine getirilmekte ve yeni koordinat sistemine geçilmektedir. Koordinat transformasyonundan sonra kare biçimine getirilen kanal geometrisine sonlu farklar metodunun uygulaması kolaylaşmaktadır. Aynı zamanda türev ve integral işlemleri rahatlıkla yapılabilmektedir. Bilindiği gibi, diferansiyel denklemlerin çözümlerinin istenilen hassasiyette olabilmesi için adım saydamım yeterince yüksek alınması gerekmektedir. Bu durumda adım sayısının yüksek alınması işlem yükünü artırmakta ve hesaplama süresi de uzamaktadır. Bu olumsuz durumu önlemek için duvara yakın yerlerde nokta yoğunluğu artırılan bir sistem düşünülmüştür. Bu sistemde adım uzunluklarına bağlı olarak sıklık derecesi adında bir sayı tanımlanmış olup, sıklık derecesi ile kanaldaki-100- nokta yoğuluğu istenildiği gibi ayarlanmaktadır. Sıklık derecesi birden büyük seçildiğinde nokta yoğunluğu duvara yaklaşmakta, birden küçük seçildiğinde ise duvardan uzaklaşmaktadır. Dolayısıyla herhangi bir noktadaki adım uzunlukları eşit olmamaktadır. Adım uzunluklarının eşit olmaması nedeniyle, türev büyüklükleri ve integral formülleri değişken adım uzunluğunda yeniden çıkarılmıştır. Farklı adımlarda çıkardan türev büyüklükleri diferansiyel denklemlerde yerine yazılarak sonlu farklar eşitliği elde edilmiştir. Diferansiyel denklemin çözümünün stabil olabilmesini sağlamak için implisit yöntem kullanılmıştır. Bu yöntemle diferansiyel denklemin daha hızlı yakınsaması sağlanabilmektedir. Bu yöntemde bilinenler düzleminin (1-|3) katı bilinmeyenler düzleminin 3 katı alınarak sonlu farklar eşitliği yeniden oluşturulmuştur. |3 katsayısı 0 ile 1 arasında değişen sabit bir sayı olup, P=0.5 Crank-Nicholson yöntemi olarak adlandırılmaktadır. Yapılan hesaplamalarda P=0.75 olarak alınmıştır. Sonlu farklar eşitliği başlangıç ve sınır şartlan altında yeni koordinatlarda meydana getirilen ağ sistemine uygulanarak lineer denklem takımı oluşturulmuştur. Bant genişliği 9 ve bol sıfırlı katsayısılar matrisine sahip olan lineer denklem takımının çözümü dolaylı metodlardan Gaus-Seidel iterasyon metodu ile yapılmıştır. Navier-Stokes denkleminin çözümünden elde edilen hızlar (u,v,w) her Az adımda matrislerde depolanarak sonradan kullanılmak üzere dosyalarda saklanmaktadır. Enerji denkleminin çözümü Navier-Stokes denkleminde olduğu gibi aynı metotla çözülmüştür. Hidrodinamik ve termik olarak gelişmekte olan akışta (HTGA) enerji denkleminin çözümü ile kanal kesitindeki sıcaklık dağılımları, ortalama sıcaklık, ortalama ve yerel Nusselt sayıları hesaplanmıştır. Aynı zamanda enerji denklemi çeşitli Prandtl sayılarında (Pr=0, 0.7, 5, 20 ve oo) çözülmüştür. Pr=oo çözümü gelişmiş akıştaki hız dağılımı kullanılarak TGA durumundan, Pr=0 çözümü ise, w*=l alınarak TGA durumundaki çözümden elde edilmiştir.-101- Termik olarak gelişmekte olan akışta (TGA) ısı transferinin hesaplanabilmesi için gelişmiş akışta hız dağılımının bilinmesi gerekir. Bunun için gelişmiş akışta Navier- Stokes denklemi çözülerek hız dağılımları ve gelişmiş akış için biçim faktörleri hesaplanmıştır. Bulunan hız dağılımları kullanılarak TGA durumunda enerji denklemi yardımı ile çeşitli kanallar için (Dikdörtgen, daire, kare, dik üçgen, ikizkenar üçgen ve elips) Nusselt sayılan hesaplanmıştır. Yapılan literatür araştırmasında çeşitli kesit alanlı kanallarda ısı transferini hesaplayacak genel eşitliklere rastlanmamıştır. Termik olarak gelişmekte olan akış durumunda sabit duvar sıcaklığı ve sabit ısı akımı sınır şartı durumlarında ısı transferini hesaplayacak genel eşitlikler çıkarılmıştır. Bu eşitlikler mevcut nümerik ve literatürdeki teorik değerlerle karşılaştırılmış olup, maksimum hata SDS sınır şartında %-8.0/+8.7, SIA sınır şartında ise %-6. 1/+6.4 arasında değişmektedir.
Segman yerleştirilmiş borularda akış ve ısı transferi
-108- OZET Bu çalışmada, segman yerleştirilmiş borularda laminar akışta, akış ve ısı transferi; segmanın cidara yapışık, cidardan ayrık ve eksende olması durumları için incelenmiştir. Navier-Stokes denklemleri çözülerek segmanlı borudaki akım ve girdap fonksiyonları, hız dağılımları, basınç dağılımları, basınç kaybı ve sabit akım çizgileri bulunmuştur. Bulunan hız dağılımları enerji denklemine taşınarak çeşitli Prandtl sayılan için segmanlı borudaki sıcaklık dağılımları ve ortalama Nusselt sayılan hesaplanmıştır. Navier-Stokes ve süreklilik denklemleri; sıkıştınlamaz, Newtonien olan, sabit viskoziteli bir akışkan için silindirik koordinatlarda yazılmıştır. Bu denklemler nümerik olarak hassas neticeler veren akım ve girdap fonksiyonlan cinsinden yazılarak boyutsuz hale getirilmiştir. Elde edilen diferansiyel denklemler, sonlu farklar yöntemlerinden "Alternating Direction Implicit" İmplisit Değişen Yönler metoduyla değişken adımlarda çözülmüştür. Enerji denklemi ise implisit sonlu farklar yöntemi ile değişken adımlarda çözülmüştür. Diferansiyel denklemlerin çözümünün istenilen hassasiyette olabilmesi için adım sayısının yeteri kadar yüksek olması gerekmektedir. Adım sayısının fazla seçilmesi kanal bölgesindeki adım uzunluğunun küçük olmasına, dolayısıyla bilinmeyen nokta sayısının artmasına neden olmaktadır. Bu artış beraberinde işlem yükünü artırdığı gibi, bilgisayar hafızasında bulundurulan bilgi miktannı da artıracaktır. Adım sayısı artınlarak çözüm daha hassas olurken bilgisayann hesaplama süresi de uzamaktadır. Bu problemleri ortadan kaldırmak için bilinmeyen nokta sayısını artırmadan hız ve sıcaklık gradyanının hızlı değiştiği boru ve segman cidanna yakın bölgelerde nokta yoğunluğu artınlabilir. Bunun için adım uzunluklan düzenli olarak değiştirilebilen bir yöntem düşünülmüştür. Bu yöntemle, ağ sistemindeki her düğüm noktasında adım uzunluklan oranının sabit olması sağlanmıştır. Bu oran sıklık derecesi olarak tanımlanmış olup, istenildiği gibi değiştirilebilmektedir. Bu-109- durumda kanal bölgesindeki ağ sisteminde adım uzunlukları eşit uzunlukta olmayıp, farklı adımlardan meydana gelmektedir. Adım uzunluklarının eşit olmaması nedeniyle türev büyüklükleri ve integral formülleri değişken adım uzunluğunda yeniden çıkarılmıştır. Farklı adımlarda çıkarılan türev büyüklükleri diferansiyel denklemlerde yerine yazılarak sonlu farklar eşitliği elde edilmiştir. Diferansiyel denklemin çözümünün stabil olabilmesini sağlamak için implisit yöntem kullanılmıştır. Bu yöntemle diferansiyel denklemin çözümünün daha hızlı yakınsaması sağlanabilmektedir. Bu yöntemde bilinmeyenler düzleminin a katı bilinenler düzleminin (1-a) katı alınarak sonlu farklar eşitliği yeniden oluşturulmuştur, a katsayısı 0 ile 1 arasında değişen sabit bir sayı olup, a =0.5 Crank- Nicholson yöntemi olarak adlandırılmaktadır. Yapılan hesaplamalarda o =0.75 olarak alınmıştır. Sonlu farklar eşitliği başlangıç ve sınır şartlan altında bütün düğüm noktalarına uygulanarak lineer denklem takımı oluşturulmuştur. Sonlu farklar yöntemlerinden implisit Değişen Yönler Metodu kullanıldığından dolayı lineer denklem takımının bant genişliği 3 olmaktadır. Bant matris genişliği 3 olduğundan çözüm daha basite indirgenmiş olur. Lineer denklem takımı Gaus-Eliminasyon yöntemiyle çözülmüştür. Navier-Stokes denklemlerinin çözümünden elde edilen hızlar (u,v ) matrislerde depolanarak sonradan enerji denkleminin çözümünde kullanılmak üzere dosyalarda saklanmaktadır. Enerji denklemi değişken adımlı implisit sonlu farklar yöntemi kullanılarak çözülmüştür. Enerji denkleminin çeşitli Prandtl sayılarında (Pr=l, 10, 100) çözümü ile segmanlı borudaki sıcaklık dağılımları ve ortalama Nusselt sayılan elde edilmiştir.