Çarpan hava jetlerinin enerji-ekserji analizi ile optimizasyonu

Abstract

Çarpan hava jetleri; ısı transferini arttırıcı özelliğinden dolayı ısıtma, soğutma ve kurutma gibi geniş bir uygulama alanında kullanılmaktadır. Jet akısının değişik geometrili cisimler üzerindeki soğutma ve kurutma etkisinin araştırılması, gittikçe artan sayıda çalışmaya konu olmakta ve hiçbir zaman güncelliğini yitirmemektedir. Bu çalışmada, ısıtılan bir plakanın dikdörtgen kesitli jet ile soğutulması işlemindeki akış ve ısı transferi karakteristikleri nümerik olarak incelenmiştir. Akısın, türbülanslı, iki boyutlu ve sürekli rejimde olduğu kabul edilerek korunum denklemleri Galerkin Sonlu Elemanlar Metodu ile ANSYS-FLOTRAN kodu kullanılarak çözülmüstür. Hesaplamalar Reynolds sayısı için 4000≤Re≤12000 ve lüle ile çarpma yüzeyi arası mesafe için 4≤z/Dh≤12 aralıklarında yapılmıştır. Std. k–ε, RNG k–ε, k–ω ve SST türbülans modelleriyle elde edilen sonuçlar deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Analizler sonunda SST türbülans modeli ile daha iyi sonuçların elde edildiği görülmüştür. z/Dh ve Re sayısının, türbülans şiddetinin, kaldırma kuvvetiyle termofiziksel özellik değişiminin ve farklı ısı akısı değerlerinin ısı transferi üzerine etkileri SST türbülans modeli kullanılarak analiz edilmiştir. Sonuçlar göstermiştir ki artan Reynolds sayısı ve azalan z/Dh değerleri yerel Nusselt sayısını arttırmıştır. Ayrıca durgunluk noktası civarında artan türbülans şiddeti ile beraber ısı transferinde artış meydana gelmiştir ve plakaya uygulanan ısı akışındaki artısın yerel Nu sayısı üzerinde herhangi bir etkisinin olmadığı görülmüştür. Elde edilen sonuçlar literatürdeki deneysel çalışmalar ile karşılaştırılmış ve uyumluluğun sağlandığı gözlemlenmiştir.

Impinging jets have been used in a wide range of applications such as heating, cooling and drying due to its ability to enhance heat transfer. The effects of jet flow on drying or cooling of various bodies have been a popular subject for investigators in recent years. In this study, heat transfer characteristics of a heated plate in a cooling process with an impinging slot air jet are investigated numerically. Conservation equations are solved with ANSYS-FLOTRAN Galerkin Finite Element Code by assuming steady, turbulent and 2D flow. Computations are performed in the Reynolds number range of 4000≤Re≤12000 and the nozzle to plate distance range of 4≤z/Dh≤12. Obtained results by using std. k–ε, RNG k–ε, k–ω and SST turbulent models are compared with experimental results and good agreement was found between experimental and SST model results. The effects of nozzle to plate distance and Re number, turbulence intensity, thermophysical property variation with buoyancy, and different heat flux values on the heat transfer are analyzed by using SST model. Results showed that the local Nusselt number increases with increasing Reynolds number and decreasing z/Dh values. Also, stagnation region heat transfer is increased with increasing turbulence intensity and the Nusselt number distribution is not influced by the increase in heat flux. In addition obtained results are compared with the experimental studies in literature and it is shown that they are consistent with previous findings.