FBE- Makine Mühendisliği Lisansüstü Programı - Yüksek Lisans

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/9782

Gözat

Yazar "10135683" ile FBE- Makine Mühendisliği Lisansüstü Programı - Yüksek Lisans'a göz atma
  • Öge
    Düz Ve Girintili Yüzeylerde Havuz Kaynamasının Sayısal Modellenmesi
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2017-01-19) Karataş, Tuğçe ; Onbaşıoğlu, Seyhan ; 10135683 ; Makina Mühendisliği ; Mechanical Engineering
    Kaynama, sıvıyla temas eden katı yüzeyin sıcaklığı sıvının o basınçtaki sıcaklığından yüksek ise katı sıvı ara yüzeyinde gerçekleşen faz değişim olayına denir. Kaynamanın iki çeşidi vardır. Bunlar: havuz kaynaması ve akış kaynamasıdır. Havuz kaynaması sabit bir hacimde durgun bir sıvıda gerçekleşirken, akış kaynaması ise zorlanmış taşınım olduğu hareketli bir sistemde gerçekleşmektedir. Kaynama işlemi sırasında gerçekleşen faz değişimine nedeniyle ısı transferi miktarı oldukça yüksektir. Bu yüzden havuz kaynaması ve akış kaynaması birçok mühendislik uygulamasında kullanılmaktadır. Özellikle elektronik soğutmada, enerji dönüşüm sistemlerinde, buharla üretimi yapan ileri mühendislik sistemlerinde önemli bir yere sahiptir. Kaynama için birçok araştırma yapılmış ve kaynama mekanizması anlaşılmaya çalışılmıştır. Yapılan çalışmalarda kaynamaya etki eden değişkenler belirlenmiştir. Bu değişkenler makroskobik, mikroskobik ve istatiksel olarak üç grupta toplanmıştır. Bu değişkenlerin birbirleriyle ve kendi içindeki etkileşimlerini daha iyi anlamak için deneysel çalışmalar yapılmıştır. Bu sonuçlar doğrultusunda değişkenler için bağıntılar geliştirilmiştir. Bu bağıntılar değişkene etki eden bir kaç paramterenin etkisi gözlemlenerek geliştirilmiştir. Bu çalışmada kaynama çeşitlerinden havuz kaynması incelenmiştir. Havuz kaynaması dört farklı kaynama aşaması içermektedir. Bu aşamalar sırasıyla doğal taşınım, çekirdekli kaynama, geçiş kaynaması ve film kaynamasıdır. Bu çalışmanın içeriği havuz kaynmasının çekirdekli kaynama aşaması için gerçekleştirilmiştir. Bu bölge içersinde incelenen makroskobik ve istatiksel değişkenler; yüzey fiziksel ve malzeme özellikleri, kabarcık ayrılma çapı, kabarcık ayrılma frekansı ve çekirdeklenme alan yoğunluğudur. Bu çalışmanın amacı, deneysel verilerle elde edilen değişkenlerin bağıntıları kullanılarak HAD yöntemiyle ile çekirdekli havuz kaynaması düz yüzey için modellenmesidir. Başlangıç olarak havuz kaynamasının çekirdekli kaynama bölgesinin sayısal modellenmesi ticari bir HAD programı olan Ansys Fluent 15 yazılımı kullanılarak yapılmıştır. Sayısal model için 2 boyutlu düz yüzey geometrisi Ansys Geo’da oluşturulmuştur. Bu 2 boyutlu geometri iki farklı alan içermektedir. İlk alan akış alanı ve ikinci alan katı alanıdır. Düz yüzeyin model sınır koşulları şu şekilde tanımlanmıştır: Akış alanının yan duvarları adyabatik, akış alanını üst yüzeyi atmosfer çıkışı ve akış alanın katı alanla temas ettiği duvar sıcak yüzeydir. Akışkan olarak su ve yüzey malzemesi olarak paslanmaz çelik kullanılmıştır. Analizler zamana bağlı gerçekleştirilmiştir. Her 1 ms için 150 iterasyon yapılmıştır. Çözüm metodu olarak SIMPLE kullanılmıştır. Düz yüzeyde çekirdekli havuz kaynmasnın modellenebilmesi için suyun buhar fazına geçmesi gerekmektedir. Bunun için su-buhar arası kütle geçişi modellenmiştir. Kütle geçişini modelleyebilmek için kabarcık ayrılma çapı ve kabarcık ayrılma frekansı korelasyonlarından faydalanılmıştır. Kütle geçişi modelinde öncelikli olarak kabarcık ayrılma çapı hesaplanmıştır. Kabarcık çapının hesaplanmasından sonra kabarcık ayrılma frekansı bağıntıları kullanılarak kabarcık frekansı hesaplanmıştır. Hesaplanan kabarcık frekansı Lee modelinde yerine konularak buharlaşan suyun kütlesi hesaplanır. Ansys Fluent’te kütle geçişi modeli UDF (User Defined Function ) kullanılarak gerçekleştrilmişitr. Buharlaşan suyun kütlesinden gizli ısı akısı hesaplanmaktadır. Böylece kütle geçişi modeline uygulanan kabarcık ayrılma frekansı ile su-buhar faz değişimi modellenmiştir. Ansys Fluent’te çekirdekli havuz kaynaması VOF (Volume of Fluid) faz modeli kullanılarak üç farklı korelasyon ve 1 tane varsayılan model kullanılarak değerlendirilmiştir. Analizler sabit yüzey sıcaklığında gerçekleştirilmiştir. Yüzey kızma farkı 30℃ ve başlangıç sıcaklığı olarak 27℃ olarak alınmıştır. Kütle geçiş modelinin üç farklı korelasyonla modellenmesiyle elde edilen sonuçlar doğrultusunda Kutateladze ve Gogonin korelasyonu (kabarcık ayrılma çapı korelasyonu) uygun bulunmuştur. Kutateladze ve Gogonin korelasyonu kullanılarak kızma farkı 10 ℃, 20℃ için analizler tekrar edilmiştir. Sonuç olarak, kütle geçişi modelinde artan kızma farkı ile kabarcık çaplarının büyüdüğü gözlenmiş ve hesaplanan frekansın azaldığı görülmüştür. Diğer bir yandan yapılan çalışmada düz yüzey için HAD yöntemiyle hesaplanan ısı akısı ve ısı taşınım katsayı değerleri kızma derecesi arttıkça kaynama eğrisinin altında kaldığı görülmüştür. Bu sonuçlar doğrusulta HAD ile düz yüzey ısı akısının hesaplanması için ısı geçiş ve korunum denklemerinin yeterli olmadığını görmekteyiz. Çünkü HAD yöntemiyle hesaplanan duvar ısı akısında kaynama esnasında gerçekleşen fiziksel olayların etkisi dahil edilmemiştir. Bu da ısı akısının hesaplanması için ek bir uygulamanın gerektiğini göstermektir. Bu yüzden ısı akısının modelleyebilmek için kaynama bağıntılarından faydalanılmıştır. Bu çalışmada ısı akısını modelleyebilmek için kaynama bağıntılarından geliştirilen Nusselt sayısı kullanılmıştr. Çekirdekli kaynama bölgesi için geliştirlen Nusselt sayısı korelasyonu vasıtasıyla ısı taşınım katsayısı hesaplanmıştır. Hesaplanan ısı taşınım katsayısı duvar ısı akısının modellenmesinde kullanılmıştır. Bu modelleme Ansys Fluent’te UDF (User Defined Function) kullanılarak yapılmıştır. Isı akısı sayısal modeli, iki farklı faz model kullanılarak farklı sabit yüzey sıcaklıklarında gerçekleştirilmiştir. Yüzey sıcaklıları 120℃ ve 130℃ olarak alınmıştır. Çözümler doğrultusunda akışkanın doymuş ve aşırı soğuk olmasına göre farklı başlangıç sıcaklık değerlerine göre de değerlendirilmiştir. Başlangıç sıcaklığı olarak 97℃, 77℃ ve 27℃ alınmıştır. Kütle geçiş modelinde kabarcık ayrılma çapı için Kutateladze ve Gogonin korelasyonu ve kabarcık ayrılma frekansı için de Zuber korelasyonu kullanılmıştır. Sonuç olarak farklı yüzey sıcaklıklarında VOF ve Eulerian faz modeli kullanarak hesaplanan ısı akısı sonuçları kaynama eğrisi ile örttüşme sağlamıştır. Akışkanın başlangıç sıcaklığına göre aşırı soğumuş veya doymuş olmasına göre ısı akısı sonuçlarının değiştiği görülmüştür. Bunun için ısı akısı modelinin farklı sıcaklıklardaki akışkana göre değişen bir katsayı çarpanına sahip olması gerektiği ön görülmüştür. Düz yüzeyden elde edilen kütle geçiş modeli ve ısı akısı modeli ile girintili yüzey için çekirdekli havuz kaynaması modellenmek istemiştir. Üç farklı analiz tek bir geometrik yapı için çözümlenmiştir. Ansys Fluent faz modeli olarak VOF kullanılmıştır. Girintili yüzey sabit yüzey sıcaklığında 120℃ olarak alınmıştır ve akışkan başlangıç sıcaklığı da 77℃ olarak alınmıştır. Girintili yüzey için yapılan üç farklı analizden ilki düz yüzey için uygulanan kütle geçişi ve ısı akısı modeli değiştirilmeden yapılmıştır. İkinci ve üçüncü analiz modellerinde ise kütle geçiş modeli katsayısı değiştirilmiştir. Üçüncü modelde ise ısı akısı model katsayısı 4 katına çıkarılmıştır. HAD ile yapılan hesaplamalar sonucundan 1. ve 3. Model sonuçlarının ısı akısı oldukça düşük çıkmıştır ve yüzey buhar tabakası ile kaplanmıştır. 2. Model’de ise ısı akısı yükselmiştir ve yüzeyde kabarcıklanma görülmüştür. 2. Model kullanılarak kızma farkı 10 ℃ ve 15 ℃ olan yüzeyler için analizler tekrarlanmıştır. Sonuç olarak girintili yüzeyde deneysel sonuçlardan elde edilen ısı akısı ve ısı taşınım katsayısı ile HAD yöntemiyle hesaplanan ısı akısı ve ısı taşınım katsayısı arasındaki belirgin bir fark olduğu görülmektedir. Çünkü kullanılan bağıntılarda yüzey özellikleri ile ilgili değişkenlerin bulunmaması ve yüzey fiziksel özellikleri ile kabarcık çapı ve frekansı etkileşimin karmaşıklığı sebebiyle analiz sonuçlarının deneysel sonuçlarla doğrulanması gerekmektedir. Bu çalışmada girintili yüzeyde havuz kaynamasının sayısal modellenmesi kütle geçişi modeli ve ısı akısı model katsayıları kullanılarak yapılmıştır. Sonuç olarak, bu çalışmada kaynama değişkenlerinden elde edilen bağıntılar kullanılarak kütle geçişi ve ısı akısı modellenmiştir. Kütle geçiş modeli kabarcık ayrılma çapı ve kabarcık ayrılma frekansı korelasyonu kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Isı akısı modeli de kaynama bağıntılarından elde edilen Nusselt sayısı korelasyonu kullanılarak yapılmıştır. Modelleme için Ansys Fluent’te dışardan UDF (User Defined Function) yazılarak yapılmıştır. Düz yüzey için sabit yüzey sıcaklığında ve 1 atm basınçta gerçekleşen analizler sonucunda kütle geçişi ve ısı akısı modellenmiştir. Modellemeler farklı sabit yüzey sıcaklığında ve başlangıç sıcaklığında gerçekleştirilmiştir. Buna göre kütle geçiş modeliyle sıcak yüzeyde kabarcık oluşumu görülmüştür. Yüzey sıcaklığına ve başlangıç sıcaklığına göre kabarcık oluşumu, ısı akısı ve ısı taşınım katsayısı değiştiği görülmüştür. Analizden elde edilen sonuçlar kaynama eğrisi ve deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Duvar ısı akısı modeli kaynama eğrisi ile örttüşme sağlamıştır. Girintili yüzey için tekrarlanan analizler sonucunda elde edilen duvar ısı akısı deneysel verilerin altında kalmıştır. Bunun sebebi ise kullanılan korelasyonlarda yüzey geometrik özellikleriyle ilgili bilgi içermemesi ve kaynama olayının karmaşık yapısıdır. Bu çalışmanın sonucunda havuz kaynamasının çekirdekli kaynama aşaması düz ve girintili yüzey için HAD kullanılarak modellenmiştir.