Duvarla sınırlandırılmış bir kavite tabanında jet çarptırmalı soğutma etkenliğinin sayısal olarak incelenmesi

Günümüz dünyasında küçük boyutlarda jetin çarptırmalı soğutma etkinliği üzerine birçok çalışma yapılmaktadır. Mevcudiyette olan çalışmaların yanında da bu konu üzerindeki gerek çalışma gerekse de kullanım alanı olarak yoğunlaşma günden güne artmaktadır. Bunun altında günümüzde kullanılan uygulamaların dizaynının ergonomi arttırımı kapsamında gittikçe küçüldüğü gerçeği yatmaktadır. Giriş paragrafında da bahsedildiği üzere günümüz endüstrisinde küçük boyutlarda jet çarptırmalı soğutma uygulamasının yüksek kütle ve ısı transferi kapasitesi ve küçük uygulamalara yatkınlığından ötürü geniş bir kullanım alanı mevcuttur. Bu alanların nereleri olduğundan bahsedecek olursak; kullanım alanları kurutma, soğutma ve ısıtma olmak üzere üç ana başlıkta toplanabilir. Bu alanlar içinden en yaygın olanı ise hiç kuşkusuz jet akışı soğutma kabiliyetinden ötürü kullanan alanlardır. Soğutma kabiliyeti de kullanım yerine göre kendi içinde koruma ve üretim alanları olarak ikiye ayrılmaktadır. Örnek olarak, çok yüksek sıcaklıklarda çalışan içten yanmalı, jet motorları, ağır sanayideki bazı uygulamalar (torna,freze vs.), elektronik sistemler daha yüksek performanslara erişebilmek ve oluştuğu parçaların dayanım limitleri için etkili bir soğutma sistemine ihtiyaç duymaktadır. Bu uygulamalar jet soğutmanın koruma alanlarındandır. Jet soğutmanın üretim teknolojilerinde kullanılma alanına dönersek, temperli cam, camın ergime sıcaklığına kadar ısıtılıp ani olarak soğutulması ile elde edilmektedir buradaki hızlı ve etkili soğutma, jetin soğutma kabiliyeti ile yapılmaktadır. Yani jet hızlı soğutmaya sebep olarak üretim tekniğinde bir adım olmaktadır. Jet akışın soğutma özelliğinin yanında birkaç alanda da ısıtma kabiliyetinden de yararlanılmaktadır. Bir örnek olarak, bazı ürünlerin saklandıkları depolarda sağlıklı kalabilmesi için gerekli olan minimum sıcaklık limitinin altına düştükleri, bunun önüne geçmek için de çözüm önerisi olarak jet akışların belirlenen mimimum sıcaklıklarda devreye girerek ürünlerin sıcaklıklarını yükseltmesi gösterilebilir. Jet soğutma uygulamalarının revaçta olduğu ile bağlantılı olarak, jetin hangi şartlar altında en iyi soğutmayı yapabileceği üzerine dizayn çalışmaları da önem kazanmıştır. Bilinçsiz şekilde yapılan dizaynlar ve uygulamalar hem ücret hem de verim kaybına yol açmaktadır. Bu gibi durumları önlemek için bu çalışmada en iyi jet soğutma koşullarını ve dizayn şemasını anlatılmıştır. Bu çalışmada küçük boyutlardaki jetin çarptırmalı soğutma uygulamasının hedef plaka üzerindeki zamana bağlı ısı transfer karakteristiği incelenmektedir. Çalışmada hava soğutması kullanılmış olup havanın jete giriş sıcaklığı sabit 283°K alınmıştır. Bunun yanında soğutmanın istendiği hedef plakanın sıcaklığı da başlangıç koşulu olarak 293°K kabul edilmiştir. Isı transfer karakteristiği saptanması kapsamında akış türü, jet ile hedef tabaka arası uzaklık, hedef tabakanın eğimi ve akış jetten çıkış yaptıktan sonraki doğrultusuna engel konulması olarak dört başlık altında çalışmalar yapılmıştır. Bu başlıkların detayına inersek, incelenen ilk faktör 3,3300 ve 6,660 olarak hesaplanan Reynolds sayısı ile elde ettiğimiz akış karakteristiği etkisidir. Bilindiği gibi Reynolds sayısı akışkanın jete giriş hızı, akışkanın girdiği kesitin çap değeri ve akışkanın giriş sıcaklığındaki kinematik akmazlık değeri ile doğrudan ilgilidir. Bu çalışmada Reynolds sayısının değeri enjektöre giren havanın sabit sıcaklık ve çap değeri olduğundan ötürü havanın giriş hızının değişmesi (5-10 m/s) ile farklılık göstermektedir. İkinci faktör, dairesel jet ile hedef plaka arasındaki uzaklığın (H), havanın girdiği enjektör çapına (D) oranı (H/D) yani dolaylı olarak jet ile hedef plaka arasındaki uzaklık etkisidir. Sabit enjektör çapında (10 mm), jetin plakaya uzaklığı değiştirilerek (10,50,100 mm) üç farklı oran (1,5,10) incelenmiştir. Üçüncü faktör olarak soğutulmasını istediğimiz hedef plakanın eğiminin (0°,10°,20°) soğutma profiline etkisi gözlenmiştir. Son olarak incelenen konu ise akış üzerine yerleştirilen bir engelin hedef plaka soğutma profili üzerine etkisi olmuştur. Çalışmada kullanılan mesh tiplerine değinirsek, yapısal ve yapısal olmayan olmak üzere iki farklı mesh türü kullanılmıştır. Eğim olmayan geometrilerde düzenli olduğundan ötürü yapısal ve kare mesh kullanılırken eğimli geometrilerde düzensiz olan eğimli kısımlar yapısal olmayan ve üçgen mesh uygulamasına tabii tutulmuştur. Uygun mesh sonrası tüm simulasyonlarda standart duvar fonksiyonu k-e türbülans modeli kullanılmıştır. Uygun modelin kullanılıp kullanılmadığı doğrulaması için standart duvar fonksiyonu k-e, gerçeklenir k-e, kayma gerilmesi k-w türbülans modelleri ile bir uygulamada karşılaştırma yapılmış ve çıkan sonuçlar arasında küçük farkların olduğu görülmüştür. Bundan dolayı standart duvar fonksiyonu ile çözüme devam edilmiştir. Ayrıca tüm simulasyonlar iki boyutlu ve zamana bağlı olarak çözülmüştür. Çözüm için gerekli koşullar sağlandıktan sonra bahsettiğimiz etkenler değiştirilerek toplamda yirmi civarında dizayn konfigurasyonu koşulmuştur. Bu testlerin sonucuna göre bazı çıkarımlar edinilmiştir. İlk çıkarım, Reynolds sayısının artması, hedef plaka soğuma profili üzerinde olumlu etki göstermiştir. Bu sebepten yola çıkarak daha soğuk bir tabaka için Reynolds sayısını arttıracak bütün aksiyonlar yani jet enjektörüne giren havanın hızının ve havanın girdiği enjektör çapının arttırılması örnek olarak uygulanmalıdır. Reynolds sayısı ile ısı geçişi kapasitesi doğru orantılı olduğundan bu sonuç olağandır. İkinci çıkarım, jetin soğutulması istenen hedef plakaya yaklaştırılması diğer bir deyişle jet ile hedef plaka arasındaki mesafenin azalması hedef plakanın daha soğuk sıcaklıklara gelmesine sebep olmuştur. Bundan ve akışın çarpan etkisinin fazla olmasından dolayı jetin hedef tabakaya olabildiğince yakınlaştırılması soğutma verimini yukarıya çıkaracaktır. Üçüncü çıkarım ise jetin soğutma etki performansının eğimli yüzeylerde daha zayıf olduğudur. Bunun nedeni, akışın düzgün dağılmamasından dolayı jet çıkışındaki hava ile hedef plaka arasındaki ısı transferinin kötü olmasıdır. Bu doğrultuda ek olarak eğimli yüzeylerdeki eğime bağlı basınç ve sıcaklık dağılımı da ayrıca incelenmiştir. Bahsettiğimiz soğutma profilini iyileştiren üç etken aynı zamanda hızlı soğuma zamanlaması performanlarını da daha iyi noktalara getirmektedir. Son etki olarak incelenen akış yönüne engel konulması da soğutma profiline olumlu katkı yapmıştır. Bu katkının aksine yöntemin, soğutma zamanlaması olarak engel akışın doğrudan etkisine kötü yönde etki ettiği için uygun olmadığı görüşmüştür. Sonuç olarak, jet ile hedef plaka arasındaki mesafenin olabildiğince kısaltılması yani jetin hedef plakaya yakın etki ettirilmesi, akışın Reynolds sayısını arttrıcı aksiyonlar alınması, soğutulacak hedef plakanın eğimli olmaması ve akış yönüne konulacak engel soğutma konfigurasyonu olarak en uygun seçim olarak belirlenmiştir. Yapılacak dizaynların ve ortam şartlarının bu doğrultuda seçilmesi hem maliyet hem de verime olumlu katkıda bulunacaktır.