Numerical İnvestigation Of Flow İn A Channel With Porous Baffles

Abstract

Porous materials have been used for more than many other materials types known to humans. From daily use such as bath or kitchen sponges to more general use like building bricks, one can see how common porous materials really are. Furthermore, industrialization of them started only a couple of hundred years from today. It was first Henri Darcy, a French engineer specilized on hydraulics, who investigated the properties of porous materials such as porosity and permability. His work led many other scientists to focus on these properties and help the industrialization process. In recent years, investigations started to merge with modern world problems as in energy or automotive industries and related ecological problems. In the aim of creating a sustainable structure for any industry in addition to aforementioned ones, one must look for higher efficiency. For higher efficiency, the next step to take is decreasing the number of entropy generators or actually reducing their effect as it is a fact that entropy always happens. For this purpose, this work focuses on the one the major entropy generators, that is, unused or wasted heat by inspecting the streams of flow in a channel with the help of porous baffles put in front of the flow. Considering the local heat transfer amounts, it was aimed to find the best case of heat transfer by comparing different cases of baffle positions. Other works also conducted in similar models contribute the progress of this study, validation of the model proposed and evaluation of results. As an initial step, a similar study of staggered and porous baffles was inspected. In said study; propagation of streamlines against baffles were inspected in terms of heat transfer and drag, for two fluids with different properties. In the second work, channel flow around solid baffles with different inclination angles was studied. Once the use of proposed model is confirmed, these two works were merged and analysed accordingly. During analysis, the latter model was selected as the base model for grid, boundary conditions and flow regime; however, different cases were produced by crossing different porous medium properties for baffles. Moreover, categorization was based on number and placement of baffles in the channel as well as their angle of inclination. After post-processing the analysis results, it was seen that the baffles that are positioned as staggered was the best case in terms of local Nusselt number and hence heat transfer capability as the baffle inclination angle was increased. On the other hand, contribution of porosity change was minimal to flow characteristics. Permeability effect was the opposite of expected, considering that the loss in flow speed would decrease convection heat transfer; however, the lower the permeability the higher was the heat transfer values due to recirculation strength created around the baffles. Eventually, in addition to above analytical results, an experimental research is always encouraged.

Gözenekli yapıya sahip malzemeler, insan hayatında diğer birçok farklı yapıdaki malzemeye nazaran daha eski bir geçmişe sahiptir. Günlük yaşantıda kullanılan mutfak süngerlerinden inşaat tuğlalarına, endüstriyel fırınlardaki seramiklerden konvansiyonel enerji dünyasının temel taşı olan kömürün yapısına dek birçok malzeme doğal olarak gözenekli yapıda bulunmakta veya insan etkisiyle bu hale getirilmektedir. Gözenekli yapıların incelenmesi ve endüstriyelleşmesi birkaç yüzyıl öncesine dayanmaktadır. Bir yapısal malzeme özelliği olarak gözeneklilik, bundan yaklaşık iki yüz elli yıl kadar önce hidrolik ve akış alanlarında uzmanlaşmış bir Fransız mühendis olan Henri Darcy tarafından incelenmiştir. Darcy gözeneklilik ile birlikte geçirgenliğin de bu konuda dikkat edilmesi gereken bir diğer malzeme özelliği olduğunun farkına varmış ve yapmış olduğu deney ile akışın gözenekli ve geçirgen bir ortamdaki davranışını basınç düşümü ve akış dinamiği parametreleri ile açıklayan Darcy Yasası'nı ortaya koymuştur. Darcy'nin gerçekleştirdiği çalışmaların ışığında, bilim insanları gözenekli yapıya sahip maddeler ile ilgili çalışmalarını günümüz problemlerine uyarlayarak enerji, otomotiv, inşaat gibi popüler sektörlerdeki problemler ile bu sektörlerin çevresel etkilerini iyileştirmeye yönelik konulara eğilmektedirler. Bilimsel çalışmaların odağı, sektör veya dal farketmeksizin, her zaman daha fazla getiri elde etmek olmuştur. Hatta bunu bilimsel çalışma olarak kısıtlamak yerine tüm mühendislik çalışmaları olarak genellemek daha doğru olacaktır, zira mühendisliğin temelinde insan hayatı için ürün performansı, fiyatı, ağırlığı ve fonksiyonelliği açısından daima ileriye taşımak amaçlanmaktadır. Termodinamik proseslerin en önemli aktörlerinden olan kullanılamayan ve açığa çıkan ısı veya bir diğer deyişle boşa giden iş, termodinamik alanındaki birçok çalışmanın ve bir bakıma bu çalışmanın da özünü oluşturmaktadır. Söz konusu çalışma, özetle, daha önce değinilen gözenekli malzemeler ile ısı transferi konularını yan yana getirerek bu konuda ortaya koyduğu hipotezi somut bulgularla kanıtlamayı amaçlamıştır. Tez çalışmasına başlanırken, önerilen modelin güvenilir ve sağlıklı şekilde çalışıyor olduğunu göstermek amacı ile, daha önce yapılan çalışma modellerine benzetimler kurularak bu modellerden elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Benzetim yapılan ve literatürde yer alan çalışmada, gözenekli olmayan katı engeller çeşitli sayı, konum ve açılarda kanal içerisine yerleştirilerek, bu durumların yine akış karakteristiği ve bölgesel ısı transferine etkisi gözlemlenmiştir. Söz konusu model ayrıca kanalda oluşan hız profillerini de ele alarak, akışın gelişmiş akış veya gelişmemiş akış olup olmadığını da incelemiştir. Türbülanslı akış rejimini sağlayacak Reynolds sayısı baz alınarak koşturulan analizlerde çözümleyici olarak literatürdeki benzer çalışmalarda olduğu gibi SIMPLE algoritmasından yararlanılmıştır. Bu yüksek lisans tez çalışmasında, literatürdeki çalışmalar göz önüne alınarak içerinde gözenekli engellerin bulunduğu bir kanaldaki akış sayısal olarak incelenmiştir. Bu incelemeye başlamadan önce literatürde yer alan, kanal içerisinde katı engellerin bulunduğu bir makale ile çalışmanın doğrulanması gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada, ele alınan modellerin sayısal olarak incelenmesinde literatür ile süreklilik ve karşılaştırma kolaylığı sağlaması açısından SIMPLE algoritması kullanılmış, analizler ise ANSYS Fluent modülünde gerçekleştirilmiştir. Analizler iki boyutlu düzlemde gerçekleştirilmiştir. Arayüz olarak engeller ve akış arasında ağ ızgara üzerinden gözeneklilik kriteri tanımlanarak akış çözümleri birbirine bağlanmıştır. Kütle transferi, hız vektörleri, enerji ve türbülans karakterleri için yakınsama kriteri olarak alınan değer 10-5'tir ve bahsi geçen değer, söz konusu incelemenin literatür araştırmasına konu olan diğer çalışmaların genelinde de yeterli görülmüştür. Kanal uzunluğu 0.554 metre, kanal yüksekliği ise 0.146 metre seçilmiştir. Kanal içerisine yerleştirilen engellerin kalınlık değeri 0.01 m, boyları ise 0.1 metre alınmıştır. Engellerin eğiklik açıları olarak 45°, 60°, 90° açıları verilmiştir. Engellerin gözenekli olmasına istinaden gözeneklilik değerleri 0.4 ve 0.9 olarak değiştirilip, geçirgenlik için ise 10-9, 10-8 ve 10-7 değerleri kullanılmıştır. Akış rejimi olarak türbülanslı akış modelinin kullanılması öngörülmüştür. Bu amaçla Reynolds sayısı olarak 8.73 × 104 seçilmiştir. Korunum denklemleri de yine bu bağlamda gözetilerek ele alınmış ve çözüm modülünde ilgili değişiklikler yapılmıştır. Ana sınıflandırma; gözenekli engellerin tekli, ikili ardışık ve ikili çapraşık olarak kanala konumlandırılması ile üç ana hal şeklinde yapılmıştır. Her bir hal, daha sonrasında, engellerin akışa karşı üç farklı açıda yerleştirilmesi ile düzenlenmiştir. Ardından, engellerin seçilmiş olduğu malzemenin çeşitli gözeneklilik ve geçirgenlik parametreleri değiştirilerek bu değişimlerin akış karakteristiğine ve bölgesel ısı transferine etkileri her bir hal için irdelenmiştir. Sonuçlar incelendiğinde görüldüğü üzere ardışık veya çapraşık olarak yerleştirilmesi farketmeksizin ikincil bir gözenekli engelin kanala yerleştirilmesi, bölgesel ısı transferini artırmaktadır. Açısal olarak konumlandırılmalar değerlendirildiğinde ise bu kez sonuçların açı artışı ile birlikte iyileştiği görülmektedir. Bunun nedeninin, akış çizgilerindeki düzensizliğin ve buna bağlı olarak yeterli miktarda yeniden dolaşımın oluşması olduğu düşünülmektedir. Bahsedilen sonuçlara ek olarak incelenen parametrelerden olan gözeneklilik açısından bakıldığında, gözeneklilik değişiminin sunulan hipoteze katkı sağlamadığı görülmektedir. Bir diğer parametre olan geçirgenlik değişiminde, beklenenin aksine yüksek geçirgenlikte yüksek hıza sahip olan akışkanın ısı transferinde düşüş gözlemlenmiştir. Buna sebep olarak akışkanın yeterli yeniden dolaşıma sahip olamadan kanalı terkederek engellerin yüzey alanlarından yararlanamayışı gösterilebilir. Bu sonuçlar ışığında, gözenekli engellerin kanal içerisinde kullanımında dikkate alınacak unsurlardan engellerin sayısı, kanal duvarları ile yaptıkları açı, konumlandırılma şekilleri, kullanılan malzemenin gözeneklilik ve geçirgenlik değerleri için yapılacak seçimlerde göz önüne alınması gereken kriterler sunulmuştur. Ayrıca, kanaldaki akışa karşı duracak şekilde yerleştirilen engellerin açısının ve konumlandırılma türlerinin, engel sayısının ve malzemesinin gözeneklilik ve geçirgenlik parametrelerinin endüstriyel alandaki tasarımlara uygulanabilirliği için gereklilikler yorumlanmıştır.