Uzatılmış jet çarpmalı soğutmada dalgalı hedef yüzeyin ısı geçişine etkisinin nümerik olarak incelenmesi

Gaz türbinleri, modern enerji üretim sistemlerinin en önemli bileşenlerinden biri olup, yüksek sıcaklıklarda çalışan ve sürekli gelişen mühendislik uygulamaları arasında özel bir yere sahiptir. Türbin verimliliğini artırmanın en etkili yollarından biri, türbin girişindeki akışkan sıcaklığının yükseltilmesidir. Ancak bu durum, türbin kanatlarının imalatında kullanılan süper alaşım malzemelerin termal dayanım sınırları ile doğrudan kısıtlanmaktadır. Günümüzde malzeme teknolojisinde yaşanan ilerlemelere rağmen, mevcut malzemelerin dayanabileceği sıcaklık limitleri, gaz türbinlerinin çalışma koşullarında karşılaşılan sıcaklıklardan daha düşüktür. Bu nedenle, türbin kanatlarının etkin bir biçimde soğutulması hem malzeme bütünlüğünün korunması hem de sistemin uzun süre yüksek verimle çalışabilmesi açısından kritik bir öneme sahiptir. Gaz türbini kanatlarının geometrisi, akış koşullarına bağlı olarak oldukça karmaşık bir yapı sergiler. Kanat boyunca sıcaklık ve ısı akısı dağılımı homojen değildir; bu nedenle farklı bölgelerde farklı soğutma tekniklerinin uygulanması gerekir. Kanadın orta kısımlarında iç kanallar aracılığıyla konvektif soğutma sağlanırken, dış yüzeylerde genellikle film soğutma teknikleri tercih edilir. Kanadın arka bölgesinde pin-fin (çivili yüzey) soğutma kullanılırken, özellikle kanadın ön kenarında yer alan ve sıcak gaz akımıyla doğrudan temas eden bölgelerde jet çarpmalı soğutma yöntemi uygulanmaktadır. Jet çarpmalı soğutma, yüksek lokal Nusselt sayıları üretebilmesi sayesinde hem gaz türbinlerinde hem de elektronik ekipmanların termal yönetiminde ve güneş enerjisi yoğunlaştırıcı sistemlerinde yaygın biçimde kullanılmaktadır. Jet çarpmalı soğutma sistemlerinde hedef yüzey geometrisi, akış yapısı ve ısı transferi üzerinde belirleyici bir etkiye sahiptir. Literatürde yapılan birçok çalışmada, hedef yüzey genellikle düz olarak kabul edilmiş; dalgalı veya pürüzlü yüzeylerin ısı transferine olan etkisi sınırlı biçimde incelenmiştir. Ancak hedef yüzey geometrisinin değiştirilmesi, akışın karakteristiğini doğrudan etkilemekte; bu da yerel türbülans yoğunluğunun ve vorteks oluşumlarının artmasına yol açmaktadır. Böylelikle ısı transfer katsayısında anlamlı bir artış sağlanabilmektedir. Dalgalı yüzeyler, jetin yüzeye çarptıktan sonra yayılma davranışını değiştirerek, akışın yönünü ve hız dağılımını dinamik olarak etkilemekte, bu da ısı transferinin hem büyüklüğünü hem de dağılımını değiştirmektedir. Bu tez çalışmasında, jet çarpmalı soğutmada dalgalı hedef yüzey geometrisinin ısı geçişine etkisi sayısal yöntemlerle incelenmiştir. Çalışmanın amacı, hedef yüzeyde dalga formunun (tepe, çukur, sağ veya sol yönlü) ısı transfer katsayısı üzerindeki etkisini belirlemek ve bu geometrilerin akış yapısına olan katkısını ortaya koymaktır. Çalışma, tek sıralı jet (j) dizilimi ile gerçekleştirilmiş olup, jet sayısı 6 olarak belirlenmiştir. Jet çıkış hızı 48,75 m/s, Reynolds sayısı ise Re = 32.500 olarak sabitlenmiştir. Bu sabit akış koşulları altında, sekiz farklı hedef yüzey modeli analiz edilmiştir: 1. Base modeli (düz yüzey) 2. A1 modeli (tepe tipi dalgalı) 3. A2 modeli (sürekli tepe tipi dalgalı) 4. B1 modeli (sol yönlü dalgalı) 5. C1 modeli (sağ yönlü dalgalı) 6. C2 modeli (sürekli sağ yönlü dalgalı) 7. D1 modeli (çukur tipi dalgalı) 8. D2 modeli (sürekli çukur tipi dalgalı) Her bir modelde dalga yüksekliği (A) ve dalga boyu (λ) farklı geometrik oranlarda belirlenmiştir. Bu modellerin oluşturulması, jet akışının hedef yüzeye çarpma ve yayılma davranışını daha iyi gözlemleyebilmek amacıyla yapılmıştır. Akış, sıkıştırılamaz, kararlı (steady) ve türbülanslı olarak modellenmiştir. Türbülans modellemesi için k-ω SST (Shear Stress Transport) modeli tercih edilmiştir. Bu modelin, özellikle jet çarpmalı akışlarda sınır tabakası ayrılması ve yeniden yapışma bölgelerini doğru bir şekilde tahmin ettiği literatürde kanıtlanmıştır. Analizlerde, öncelikle ağ (mesh) bağımsızlık çalışması yapılmış, elde edilen sonuçların ağ yoğunluğuna bağlı değişim göstermemesi sağlanmıştır. Ardından H/D oranı (nozul-hedef yüzey mesafesi / jet çapı) sabit tutularak akış yapısının yalnızca yüzey geometrisinden etkilendiği bir yapı oluşturulmuştur. Çözümler, konverjans kriterleri sağlanıncaya kadar tekrarlanmış ve her bir model için akış alanı, sıcaklık dağılımı ve yerel Nusselt sayıları ayrı ayrı değerlendirilmiştir. Elde edilen sayısal sonuçlar, hedef yüzey geometrisinin ısı transfer performansı üzerinde oldukça belirgin bir etkisi olduğunu göstermiştir. Düz hedef yüzey (Base modeli) referans alınarak yapılan karşılaştırmalarda, dalgalı yüzeylerin tamamında daha yüksek ortalama Nusselt sayıları elde edilmiştir. Dalgalı yüzeylerin oluşturduğu geometrik değişkenlik, jetin hedef yüzeye çarptıktan sonra yön değiştirmesine, yüzey üzerinde güçlü ikincil akımların ve vorteks yapıların oluşmasına neden olmuştur. Özellikle tepe tipi (A1, A2) modellerde, jet akışının dalga tepelerinden yüzey boyunca kayması sonucu yerel hız gradyenleri artmış, bu da ısı transfer katsayısında belirgin bir yükseliş sağlamıştır. Sürekli dalgalı modeller (A2, C2, D2), jetin akış yönünü daha düzenli biçimde değiştirmesine ve enerjinin daha geniş bir yüzey alanına yayılmasına olanak tanımıştır. Bu nedenle, bu modellerde elde edilen ortalama Nusselt sayıları, periyodik olmayan modellere kıyasla daha yüksek bulunmuştur. Özellikle C2 modeli (sürekli sağ yönlü dalgalı), akış yönü ile dalga yönünün aynı hizada olması nedeniyle jetin yönlendirilmesini kolaylaştırmış ve hedef yüzey boyunca daha dengeli bir sıcaklık dağılımı oluşturmuştur. Çukur tipli (D1, D2) yüzeylerde ise jet akışının bir kısmı dalga çukurlarında hapsolmuş, bu bölgelerde yerel türbülans ve döngüsel akımlar oluşmuştur. Bu durum, belirli bölgelerde ısı transferini artırmasına karşın, diğer bölgelerde akış zayıflaması nedeniyle ortalama Nusselt sayısında sınırlı bir artış sağlamıştır. Buna rağmen, bu modeller de düz yüzeye kıyasla daha yüksek ısı transfer performansı göstermiştir. Elde edilen sonuçlara göre, dalgalı yüzeylerin tamamı düz yüzeye göre %10 ila %35 arasında değişen oranlarda ısı transfer artışı sağlamıştır. Dalga yüksekliği arttıkça akışın yüzeyle etkileşimi güçlenmiş, türbülans enerjisi artmış ve buna bağlı olarak ısı transfer katsayısı yükselmiştir. Ancak aşırı yüksek dalga oranlarında, jet akışının yüzeye çarpma davranışında kararsızlık gözlemlenmiş, bu da belirli bölgelerde ısı transferinin azalmasına neden olmuştur. Dolayısıyla optimum dalga yüksekliği ve dalga boyu oranlarının belirlenmesi, ısı transfer performansını en üst seviyeye çıkarmak açısından kritik öneme sahiptir. Sonuç olarak, bu tez çalışması kapsamında gerçekleştirilen sayısal analizler, jet çarpmalı soğutma sistemlerinde hedef yüzey geometrisinin ısı transfer performansı üzerinde doğrudan belirleyici bir etkiye sahip olduğunu ortaya koymuştur. Dalgalı hedef yüzeyler, akış alanında türbülansı artırarak ve jetin enerjisini yüzey boyunca daha etkin dağıtarak, düz yüzeylere kıyasla daha yüksek ısı transfer katsayısı elde edilmesini sağlamaktadır. Özellikle sürekli dalgalı geometriler hem akış kararlılığını korumuş hem de daha homojen sıcaklık dağılımı oluşturmuştur. Bu çalışma, jet çarpmalı soğutma sistemlerinin tasarımında yüzey geometrisinin optimize edilmesinin, pasif ısı transfer artırımı açısından son derece etkili bir yöntem olduğunu göstermektedir. Elde edilen bulgular, gaz türbini kanatlarının soğutulması, elektronik bileşenlerin termal yönetimi ve yüksek ısıl yük altındaki sistemlerin tasarımı gibi mühendislik uygulamalarında kullanılabilecek değerli veriler sunmaktadır. Böylelikle, dalgalı yüzey geometrisinin optimize edilmesiyle hem sistem verimliliği hem de malzeme dayanımı artırılabilir, bu da gelecekteki enerji sistemlerinin daha güvenli ve verimli çalışmasına katkı sağlar.