Farklı geometrideki çukurlu yüzeylerin ısı transferi ve akış özelliklerine etkisinin incelenmesi

Isı aktarımı, sıcaklıkları farklı iki veya daha fazla nesne arasında iletim, taşınım ya da ışınım yoluyla (veya bu yolların birbirleri ile olan birleşimleri yoluyla) gerçekleşen enerji aktarımının incelenmesidir. Taşınımla ısı aktarımı temel olarak moleküllerin kitleler halinde hareketinden kaynaklanır. İki farklı sıcaklıktaki yüzey arasında hareket halindeki akışkan bu hareketi sırasında ısı taşınımını sağlar. İletimle ısı aktarımı ise durgun bir ortamda gerçekleşir. Birbirleriyle temas halindeki moleküllerin kafes yapısındaki titreşimler sayesinde ısı bir sonraki moleküle taşınır. Işınımla ısı aktarımında ise ısı aktarımı için bir ortama ihtiyaç duyulmaz. Birbirini gören yüzeyler arasında sıcaklık farkı olduğu sürece ışınımla ısı aktarımının olduğunu söylemek mümkündür. Bilim ve mühendisliğin birçok alanında, belirli bir sıcaklık farkı olması durumunda, ortama bağlı olarak sıcaklık dağılımının ve ısı geçişinin bulunması önemli bir konudur. Belirli sürede verilen ısı geçişini sağlayacak bir cihazın boyutlandırılması, uygulanmasının yapılıp yapılmayacağını ve kullanışlı olup olmadığının incelenmesi, maliyetinin tahmin edilmesi için kapsamlı bir ısı geçişi analizi yapılmalıdır. Sürekli olarak fosil yakıtların tüketilmesi sonucu enerji talebinin azalmasıyla yenilebilir enerji kaynaklarını kullanmanın yanı sıra enerjiyi verimli kullanmakta oldukça önem taşımaktadır. Enerji verimini arttırmanın en önemli süreçlerinden bir tanesi de ısı transferi gerçekleşen alanlardır. Mühendislikte, bilimde, sanayide ve pek çok alanlarda kullanılan ısı değiştiricilerinde verim artışını da sağlamak için genişletilmiş yüzeylerde ısı transferini arttırma çabaları da en çok kullanılan yöntemlerdendir. Bu çalışmada da dikdörtgen tipli kanalda dairesel ve elips kesit alanına sahip çukurlu yüzeylerin taşınımsal ısı transferine ve sürtünme faktörüne etkisi ele alındı. Elips kesit alanına sahip çukurların etkisini incelemek için 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75° ve 90° olmak üzere 7 farklı açı belirlendi. Bahsedilen şekillerin dizilimleri üçgen şeklinde seçildi ve çukurlar arasındaki akışa paralel mesafe 2 farklı değer (21,6mm-24mm) olacak şekilde ele alındı.Derinlik çapa oranı için ise 0,067-0,1-0,2 değerleri hem dairesel hem de elips çukurlarda belirlendi. Bu çukurlu yüzeylerin ısı transferine ve sürtünme faktörüne etkisini incelemek için sayısal çözümlerde Ansys-Fluent programı kullanıldı. Çözüm esnasında dikdörtgen kanal içerisinde akışkan olarak hava kullanıldı. Isı transferine etkisinin incelenmesi için 6 çeşit Reynolds sayısı (10000-60000 değerleri) ele alındı. Belirtilen aralıktaki Reynolds sayılarının herbiri için denk gelen hızlar hesaplandı. Belirlenen 6 çeşit Reynolds sayısının etkisini görmek için çukurların arasındaki akışa paralel mesafe olan 2 farklı SL değerine, hem dairesel hem de elips çukurlarda derinliğin çapa oranı için 3 farklı çap değerine ve 7 farklı açıya göre ayrı ayrı toplamda 252 adet analiz yapıldı. Yapılan analizler sonucunda giriş çıkış basınç değerleri, kütlesel debi miktarı ve giriş çıkış sıcaklık değerleri not edildi. Hava önce 250mm lik bölümden geçerek 298K sıcaklıkta modele girdi. Daha sonra kanalın alt tarafında bulunan dairesel ve elips çukur kombinasyonundan geçti. Modelde çukur kombinasyonunun bulunduğu levha 318K de sabit sıcaklıkta tutuldu. Modelde hava çukurlar vasıtasıyla karşılaştırılarak ısı geçişi aktarılması hedeflendi. Modelden geçen hava model çıkışına geldi. Çukur şeklindeki geometriler, ısı transferinin artmasına ve akışın artmasına neden olan bir tür pürüzlülük oluşturmak için yüzeyde girintili geometriler dizisi olarak tanımlanır. Elmas şekli kullanıldığında optimum performans veren pim kanatlarının aksine en iyi çukur performansı düzenlemeye, çıkıntıların derinliğine ve alan yüzeyinin baskısına göre gerçekleştirilir. Türbülans, bir akışkanın hareket halindeki düzensizliğidir. Akışkanın düzenli katmanlar halinde aktığı laminer akışın aksine türbülanslı akışlar düzensiz biçimde karışarak hareket eder. Akışın hangi rejimde olduğu atalet kuvvetlerinin viskozite kuvvetlerine oranını belirten boyutsuz Reynolds sayısı ile tahmin edilebilir. Örneğin tipik bir boru akışı için Reynolds sayısı 2300 ü geçtikten sonra akış, türbülanslı rejime geçer. Bu çalışmada da Reynolds sayısı için 10000-60000 değer aralığı baz alındı. Kullanılan Reynolds aralığından da görüldüğü üzere türbülanslı akış sistemde gerçekleşti. Türbülans modellerinde en uygun modeli seçmek için en yüksek Reynolds sayısı kullanılarak çözümlemeler yapıldı. Yapılan çözümlemelerin hem Nusselt sayısı için hem de sürtünme faktörü için sağlaması yapıldı. Yapılan sağlamalar sonucunda Reynolds sayısının, Nusselt sayısına, sürtünme faktörüne ve ısı transferine olan etkisi incelendi. Yapılan incelemeler sonucunda tablolar oluşturuldu ve kıyaslamalar yapıldı. Konu ile alakalı kaynak araştırmaları yapıldı ve tezde yer verildi.