Konkav, düz ve konveks yüzey sınır tabakalarında hız ve ısı transferi karakteristiklerinin hızlanan ve yavaşlayan akışlarda incelenmesi

Abstract

Düz ve eğrisel yüzeyler üzerinde sınır tabaka oluşumu, akış ve ısı transferi karakteristikleri açısından, taşıt ve uçak aerodinamiği ve turbomakina araştırmaları için büyük öneme sahip olduğu için literatürde bu konu ile ilgili pek çok çalışma bulunmaktadır. Bu tezde akış yönündeki Reynolds sayısı (Rex) ve basmç gradyanlannm (k) hidrodinamik ve termik sınır tabakalar üzerindeki etkileri birlikte incelenmiştir. Deneysel çalışmalar düz ve eğrilik yarıçapları 1500 mm olan konkav ve konveks yüzeyler üzerinde -1.8xl0"6£k£1.8xl0'* basınç gradyan aralığında, 5, 10 ve 15 m/s ilk hızlarda ve laminer, geçiş ve türbülanslı akışlarda gerçekleştirilmiştir. Pozitif gradyanlar (hızlanan akış) düz ve konkav yüzey üzerinde Ree'nın azalmasına ve biçim faktörünün (H) artmasına neden olmaktadır. Diğer taraftan, negatif gradyanlar (yavaşlayan akış) konveks yüzey üzerinde H*nü arttırmakta; ve diğer iki yüzey üzerinde Ree'nı arttırmakta ve H*nü azaltmaktadır. Düz yüzey sınır tabakasında geçiş 4xl05 değerindeki Re^'nda başlar ve 1.8x1ü"6 pozitif gradyanında 6x1 05 değerine kadar uzamaktadır. Konkav yüzeyin, aynı Rex aralığında, türbülansa geçişi hızlandırdığı tespit edilirken, konveks eğrilik geçişi 7x1 05 değerindeki Rex'na kadar uzatmakta ve türbülansa geçişi ertelemektedir. Sıfır basınç gradyanı için, geçiş bölgesindeki düz yüzey ısı transfer değerleri konkav ve konveks yüzey değerlerinin akış yönünde sırasıyla %26-%55.5 ve %9-%19.5 aralığında altındadır. Düz ve konkav yüzey türbülanslı ısı transferi değerleri konveks yüzey değerlerinin sırasıyla %22.4-%22 ve %21.4-%28.2 üzerindedir. Konveks yüzey üzerinde, pozitif gradyanlann etkisinde, geçiş bölgesindeki ısı transferi artışı düz ve konkav yüzey artış oranlarının sırasıyla %2-%4.1 ve %2.2-%ll altodadır ki, bu durum konveks eğriliğin ısı transferini azaltmaya yönelik etkisi şeklinde yorumlanabilir. Bununla birlikte pozitif ve negatif gradyanlar, türbülanslı bölgede, konkav ve konveks yüzeyler üzerinde benzer ısı transferi değişimleri oluşturmuşlardır.

Boundary layer development on flat and curved surfaces, in terms of flow and heat transfer characteristics, is of great importance for vehicle and plane aerodynamics and turbomachinery so that there have been plenty of work in literature. Streamwise distance Reynolds number (Rex) and pressure gradient (k) effects on hydrodynamic and thermal boundary layers have been investigated simultaneously in this thesis. Experimental work is carried out on flat plate and concave and convex surfaces with 1500 mm in radius of curvature, in the pressure gradient range of-l.SxlO'^k^l.SxlO"6 and at initial velocities of 5, 10, and IS m/s in laminar, transitional and turbulent flows. Positive gradients (accelerating flow) causes Ree to decrease and shape factor (H) to increase in the flow direction on the flat plate and concave surface. On the other hand, negative gradients (decelerating flow) increase H on the convex surface; and on the other two surfaces increase Ree and decrease H. Transition in flat plate boundary layer starts at Re» of 4xl05 and extends to 6xl05 for the positive gradient 1.8x1ü"6. Concave surface, for the same Rex range, is determined to enhance transition, whereas convex curvature extends transition up to Rex of 7x10s and delays turbulent structure. For zero pressure gradient, flat plate heat transfer values, in the transition region, are below the concave and convex surface values by 26% to 55.5% and 9% to 19.5% in the flow direction respectively. Flat plate and concave surface turbulent heat transfer values are above the that of convex surface by 22.4%-22% and 21.4%-28.2% respectively. The amount of increase in heat transfer due to positive gradients on the convex surface in the transition region are below the flat plate and concave surface ratios by 2% to 4.1% and 2.2% to 11% respectively, that might be attributed to the reducing effect of convex surface on the heat transfer. However, positive and negative gradients caused similar heat transfer variations in the turbulent region on concave and convex surfaces.