setsci

SETSCI Conference Proceedings

2687-5527

SET Technology

10.36287/setsci.4.6.092

c8c47ecc-89e2-499a-a829-d832a85afc50

Geriye Dönük Adım Akışında Adım Geometrisinin Isı Transferi ve Akış Yapısı Üzerindeki Etkisinin İncelenmesi

Karabulut

Koray

Alnak

Doğan Engin

Sivas Cumhuriyet University

22 12 2019

9 373 383

2019

SET Technology

CC BY 4.0

Gaz türbini motorları, yakıcılar, ısıtma ve soğutma sistemleri gibi birçok mühendislik uygulamasında geriye dönük adım akışı nedeniyle ayrılma ve yeniden birleşme bölgeleri meydana gelmektedir. Bu bölgelerin kontrolü, ısı ve kütle transferi miktarını artırmak için oldukça önemlidir. Bu çalışmada, akış ayrılması ve yeniden birleşmesinin etkisini incelemek amacıyla dikey olarak konumlandırılmış geriye dönük adım akışı geometrisinde h/4 ve h/2 olmak üzere farklı pah uzunluklu adım köşe yapılarının pahsız (normal) geometriye göre ısı transferi ve akış karakteristikleri sayısal olarak incelenmiştir. Geriye dönük adımın arkasındaki duvarlardan biri sabit sıcaklıkta tutulurken diğerleri adyabatiktir. Çalışmanın sonuçları, üç boyutlu ve zamandan bağımsız olarak korunum denklemlerinin k-ε türbülans modelli, Boussinesq yaklaşımıyla ANSYS-FLUENT bilgisayar programıyla çözülmesiyle elde edilmiştir. Çalışma akışkanı olarak su ve sıvı sodyum kullanılmıştır. Geriye dönük adımın genişleme oranı 1.5’ dir. Sunulan çalışma, literatürde bulunan çalışmanın sayısal sonuçlarıyla karşılaştırılmış olup birbirleriyle uyumlu ve kabul edilebilir oldukları görülmüştür. Sonuçlar, Nu sayısı, akışkan sıcaklık, türbülans kinetik enerji ve basınç değişimleri olarak sunulmuştur. Ayrıca, geriye dönük adım akışı geometrisinde, sıcaklık, hız ve akım çizgisi dağılımları görselleştirilmiştir. Re=5000 için sıvı sodyum akışında pahsız (normal) geometrinin ortalama Nu sayısı değerinin, h/2 pah uzunluklu geriye dönük adım geometrisinden %9 daha fazla olduğu belirlenmiştir.

Ayrılmış akış, geriye dönük adım akışı, ısı transferi, sıvı sodyum, soğutma

X. Cheng, N. Tak, “Investigation on turbulent heat transfer to lead-bismuth eutectic flows in circular tubes for nuclear applications”, Nuclear Eng. Des., vol. 236, pp. 385-393, 2006.

J. Pacio, K. Litfin, A. Batta, M. Viellieber, A. Class, H. Doolaard, F. Roelofs, S. Manservisi, F. Menghini, M. Bottcher, “Heat transfer to liquid metals in a hexagonal rod bundle with grid spacers: ¨Experimental and simulation results”. Nuclear Eng. Des., vol. 290, pp. 27-39, 2015.

J. Pacio, T. Wetzel, “Assessment of liquid metal technology status and research paths for their use as efficient heat transfer fluids in solar central receiver systems”. Solar Energy, vol. 93, pp. 11-22, 2013.

L. Marocco, G. Cammi, J. Flesch, T. Wetzel, “Numerical analysis of a solar tower receiver tube operated with liquid metals”. Int. J. Thermal Sci., vol. 105, pp. 22-35, 2016.

K. Niedermeier, J. Flesch, L. Marocco, T. Wetzel, “Assessment of thermal energy storage options in a sodium-based CSP plant”. Appl. Therm. Eng., vol. 107, pp. 386-397, 2016.

S. Manservisi, F. Menghini, “A cfd four parameter heat transfer turbulence model for engineering applications in heavy liquid metals”. Int. J. Heat Mass Transf., vol. 69, pp. 312-326, 2014.

H. Kim, D.A. Boysen, J.M. Newhouse, B.L. Spatocco, B. Chung, P.J. Burke, D.J. Bradwell, K. Jiang, A.A. Tomaszowska, K. Wang, W. Wei, L.A. Ortiz, S.A. Barriga, S.M. Poizeau, D.R. Sadoway, “Liquid metal batteries: past, present, and future”. Chem. Rev., vol. 113, pp. 2075-2099, 2013.

F. Stefani, T. Weier, T. Gundrum, G. Gerbeth, “How to circumvent the size limitation of liquid metal batteries due to the tayler instability”, Energy Convers. Manage, vol. 52, pp. 2982-2986, 2011.

B.F. Armaly, F. Durst, J.C.F. Pereira, B. Schönung, “Experimental and theoretical investigation of backward-facing step flow”. J. Fluid Mech., vol. 127, pp. 473-496, 1983.

P. Nadge, R. Govardhan, “High Reynolds number flow over a backward-facing step: structure of the mean separation bubble”. Exp. Fluids, vol. 55, pp. 1-22, 2014.

N. Kasagi, A. Matsunaga, “Three-dimensional particle-tracking velocimetry measurement of turbulence statistics and energy budget in a backward-facing step flow”. Int. J. Heat Fluid Flow, vol. 16, pp. 477-485, 1995.

H. Le, P. Moin, J. Kim, “Direct numerical simulation of turbulent flow over a backward-facing step”. J. Fluid Mech., vol. 330, pp. 349-374, 1997.

R.L. Simpson, “Turbulent boundary-layer separation”. Annu. Rev. Fluid Mech., vol. 21, pp. 205-232, 1989.

J.C. Vogel, J.K. Eaton, “Combined heat transfer and fluid dynamic measurements downstream of a backward-facing step”. J. Heat Transfer, vol. 107, pp. 922-929, 1985.

A. Keating, U. Piomelli, K. Bremhorst, S. Nei, “Large-eddy simulation of heat transfer downstream of a backward-facing step”. J. Turbul., vol. 5, pp. 1-27, 2004.

R.V. Avancha, R.H. Pletcher, Large eddy simulation of the turbulent flow past a backward-facing step with heat transfer and property variations”. Int. J. Heat Fluid Flow, vol. 23, pp. 601-614, 2002.

ANSYS Inc., ANSYS FLUENT User's Guide, Fluent, Netherland, Lebanon, ANSYS Press, 2003.

M. Niemann, J. Fröhlich, “Turbulence budgeds in buoyancy-affected vertical backward-facing step flow at low Prandtl number”, Flow Turbulence Combust., vol. 99, pp. 705-728, 2017.

H. Togun, M.R. Safaei, R. Sadri, S.N. Kazi, A. Badarudin, K. Hooman, E. Sadeghinezhad, “Numerical simulation of laminar to turbulent nanofluid flow and heat transfer over a backward-facing step”. App. Mathematics and Comp., vol. 239, pp. 153-170, 2014.