Duvarlarında Ayrık Kaynak Çiftleri Olan Kapalı Kapta Doğal Taşınımın Sayısal Olarak İncelenmesi

Abstract

Duvarlarında ayrık ısı kaynakları olan kapalı kaplarda doğal taşınım olayı son yıllarda dikkate değer bir ilgi konusu olmuştur. Bunun nedenlerinden ilki, bir çok mühendislik uygulamalarında karşılaşılması, örneğin elektronik sistemlerin soğutulması, gıda depolama sistemleri ve binaların pasif ısıtılması veya soğutulmasıdır. Bir diğer neden ise, farklı tipte, boyda, konumda ve güçte kullanılan ayrık ısı kaynağına bağlı olarak değişen akışkan akış ve ısı transfer mekanizmasının karmaşık yapısıdır. Artan mühendislik uygulama ihtiyaçlarını karşılamak için, asıl hedef ayrık ısı kaynaklarından olan ısı transferini iyileştirme yaklaşımı üzerine yoğunlaştırılmış ve böylece kapalı kap içerisinde oluşabilecek yüksek sıcaklıktaki bölgeleri azaltmak amaçlanmıştır. Ayrık ısı kaynağı sayısı, boyu, gücü, ara mesafesi ve konumu doğal taşınım ile ısı transferi verimini etkileyen başlıca fiziksel karakteristiklerdir. Bu çalışma, duvarlarında düzlemsel ayrık ısı kaynakları olan kare kapalı bir kapta oluşan doğal taşınımla ilgilidir. Laminar doğal taşınım, iki boyutlu kare kapalı bir kapta genel amaçlı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) programı olan Fluent 6.2.16 yardımıyla sayısal olarak incelenmiştir. Kapalı kabın yatay ve/veya düşey duvarlarında bulunan ayrık kaynak çifti sayısına göre birer, ikişer ve üçer adet şeklinde sınıflandırma yapılarak toplamda on sekiz ayrı durum göz önüne alınmıştır. Çalışma daha çok, kaynak çifti uzunluğunun ve konumunun akışkan akış ve ısı transfer mekanizmasını nasıl etkilediği üzerinedir. Kenar uzunluğu H olan kare kapalı kabın duvarları üzerinde bulunan kaynak çifti uzunluğu, sırasıyla, bir kaynak çifti için H/2, iki kaynak çifti için H/4 ve üç kaynak çifti için H/6 dır. Toplam kaynak çifti uzunluğu her bir durumda H'ye eşittir. Kabın duvarları üzerinde bulunan kaynak çifti düzenlemesi, karşılıklı dizilişten yan yana dizilişe değişmektedir. Çalışma Rayleigh sayısının 102 ile 106 aralığında olması durumuna göre incelenmiştir. Akışkan akış yapısı ve ısı transfer karakteristikleri hız vektörleri, akım çizgileri, eş sıcaklık eğrileri ve ortalama Nusselt sayıları şeklinde gösterilmiştir. Sonuçta; toplam ısı transferi kapalı kap içerisinde oluşan hücreli akış miktarıyla yakından ilişkili olduğu bulunmuştur. Kaynak çiftleri, daha küçük parçalara ayrılırsa ve/veya tek bir yan duvar üzerinde yan yana düzenlenirse kapalı kap içerisinde oluşan hücreli akış sayısının arttığı ve dolayısıyla da ısı transferinin arttığı saptanmıştır.

Natural convection in enclosed cavities with discrete heat sources has received considerable attention in the recent years. One reason is for its various engineering applications, such as electronics cooling, food storage, and passive cooling or heating of buildings. The other is its complex nature of the fluid flow and heat transfer characteristics due to discrete heat sources of different type, size, location and strength. To meet the increasing demand of engineering applications, main efforts have been focused on the approaches to enhance the heat transfer from the discrete heat sources and thus to decrease the hot-spot temperature in the enclosure. The performance of heat transfer by natural convection is extensively influenced by the physical characteristics of the discrete heat sources such as number, size, spacing, strength and position arrangements. This study is related to the natural convection in a square enclosure due to flush-mounted discrete heat sources on the walls. Laminar natural convection in a two-dimensional square cavity was numerically investigated using Fluent 6.2.16 general purpose Computational Fluid Dynamics (CFD) solver. Eighteen different cases which are classified according to one, two and three discrete heat source pairs on the horizontal and/or vertical walls of square cavity were considered. The study was mainly focused on the size and arrangement effects of the source and sink pairs on the fluid flow and heat transfer characteristics. The sizes of source and sink pairs on the walls of square cavity of side length H were, respectively, H/2 for one source-sink pair, H/4 for two source?sink pairs and H/6 for three source?sink pairs. The arrangement of the source and sink pairs on the walls changes from the separated to staggered modes. Total sizes of the source and sink pairs always equal to H. The arrangement of the sources and sinks on the walls changes from the separated to staggered modes. Analysis for the current problem is performed for 102 to106 range of Rayleigh number. The fluid flow and heat transfer characteristics were illustrated by velocity vectors, streamlines, isotherms and averaged Nusselt number. It was found that the total heat transfer was closely related with the number of eddies in the enclosure. When the source and sink pairs were split into smaller segments and/or arranged in a staggered mode on one sidewall, the number of eddies in the enclosure would increase and hence heat transfer was augmented.