Dalgalı Yüzeyli Isı Değiştirici Kanallarında Hız ve Sıcaklık Alanlarının “Rans” Tabanlı Türbülans Modelleri ile Sayısal İncelenmesi ve Deneysel Doğrulaması

Computational Investigation of the Velocity and Temperature Fields in Corrugated Heat Exchanger Channels using RANS based Turbulence Models with Experimental Validation

Erman ASLAN,İmdat TAYMAZ,Yaşar İSLAMOĞLU,İ. Cem PARMAKSIZOĞLU,Mardiros ENGİN,İlkay ÇOLPAN,Gökhan KARABAŞ,Güven ÖZÇELİK

Özet

Levhalı ısı değiştiricilerinde yaygın olarak kullanılan periyodik dalgalı yüzeyli kanal için taşınımla ısı geçişi ve sürtünme faktörü sayısal incelenmiştir. Sayısal çalışmada Sonlu Hacimler Yöntemi (Finite Volume Method-FVM) kullanılmıştır. Realize edilebilir k-ε (Realizable k-ε), k-ω, Kayma Gerilmesi Taşınımı (Shear Stress Transport-SST) ve geçiş SST (transition SST) olarak adlandırılan, dört farklı Reynolds Ortalamalı Navier-Stokes (Reynolds Averaged Navier-Stokes Simulations-RANS) tabanlı türbülans modelleri kullanılarak elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır.Önceki deneysel çalışmalardan elde edilen sonuçlar da sayısal sonuçları doğrulamak için kullanılmıştır. Çalışmalar, dalga eğim açısının 30° olduğu dalgalı yüzeyli kanallarda hava akışı için yapılmıştır. Prandtl sayısı 0,70 sabit kalırken, Reynolds sayısı 2.000 ile 11.000 arasında değiştirilmiştir. Nusselt sayısı, Colburn faktörü, sürtünme faktörü ve ısı geçişi iyileştirme performansı Reynolds sayısına bağlı olarak verilmiştir.Dalgalı yüzeyli geometrinin ve kanal yüksekliğinin etkileri ele alınmıştır. Deneysel ve sayısal sonuçlar arasında en iyi uyum SST modeli ile sağlanırken, en çok hata ise realize edilebilir k-ε modelden elde edilmiştir.

Abstract

The characteristics of convective heat transfer and friction factor for a periodic corrugated channel extensively used in compact heat exchangers have been investigated numerically. In numerical study Finite Volume Method (FVM) was used. Four different Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) based turbulent models, namely the realizable k-ε, k-ω, Shear Stress Transport (SST) and transition SST models are used and compared with each other within RANS formulation. Experimental results which are get from previous study used for validation the numerical results. Studies were conducted for air flow conditions where contact angle is 30°. The Reynolds number is varied from 2.000 to 11.000, while keeping the Prandtl number constant at 0,70. Nusselt number, Colburn factor, friction factor, and goodness factor against Reynolds number have been studied. The effects of the corrugation geometry and channel height have been discussed. The best agreement with the experimental data is provided by the SST model, whereas the least accurate results are obtained by the realizable k-ε model.