Kare Silindir Etrafında Akış ve Tümleşik Taşınım ile Isı Geçişi

Engelleyici yüzdürme kuvvetinin laminer rejim şartlarında akış ve ısı transferi özelliği üzerindeki etkisi, dikey kanaldaki bir kare silindir boyunca sayısal olarak incelenmiştir. Engelleyici akış, akış hareketleri ile doğal taşınımdan kaynaklanan yüzdürme kuvvetlerinin zıt yönlü olması anlamına gelmektedir. Çalışma ortamı akışkanı olarak hava (Pr=0.7) ve su (Pr=7) seçilmiştir. Akış ve ısı transferi analizleri Reynolds (Re = 100, 150 ve 200) ve Richardson sayıları (-0.5 ≤ Ri ≤ 0) değiştirilerek elde edilmiştir. Sayısal çalışmanın çözümü Ansys/Fluent ticari yazılımı ile gerçekleştirilmiştir. Yüzdürme kuvvetleri etkilerini incelemek için Boussinesq yaklaşımının kullanıldığı Navier-Stokes denklemleri çözdürülmüştür. Geçici rejimde tümleşik taşınımda ısı ve akış karakteristiklerini incelemek için Nusselt sayısı, Strouhal sayısı, sürüklenme ve kaldırma katsayısı her bir durum için elde edilmiştir. Ayrıca eş sıcaklık eğrileri her bir simülasyon için çizdirilmiştir. Richardson sayısının azalması ile Strouhal sayısı, ortalama sürüklenme katsayısı ve ortalama Nusselt sayısının azaldığı, ortalama kaldırma kuvveti katsayısının arttığı gözlemlenmiştir.

Anahtar Kelimeler:

Kare silindir, Engelleyici yüzdürme kuvveti, Tümleşik taşınım.

Flow and Mixed Convection with Heat Transfer Around a Square Cylinder

The influence of opposing buoyancy on the laminar flow field and heat transfer characteristic is investigated across a square cylinder in a vertical channel numerically. “Opposing flow” means that the buoyancy flow and fluid motions are in opposite directions. The working fluids are air (Pr = 0.7) and water (Pr = 7). The flow and heat transfer simulations were changed with Reynolds number (100 and 200) and under various Richardson numbers (from 0 to 0.5). The numerical analysis was carried out by Ansys-Fluent software. The effect of buoyancy was incorporated into the Navier-Stokes equations using the Boussinesq approximation. Unsteady mixed convection heat transfer and fluid flow characteristics such as Nusselt number, Strouhal number, the drag and lift coefficient were obtained for each case. Also, the isotherms were depicted for each simulation. It was observed that the Strouhal number, the mean drag coefficient and Nusselt number decreased with the decrease of the Richardson number; but, CL,rms increased.

Keywords:

Square cylinder, Opposing buoyancy, Mixed convection,

PDF

___

Ahmad, S., Arifin, N. M., Nazar, R., Pop, I. 2009. Mixed convection boundary layer flow past an isothermal horizontal circular cylinder with temperature-dependent viscosity. Int. J. Therm. Sci. 48(10): 1943–1948. Doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2009.02.014
Avcıoğlu,, S. 2012. Ev tipi buzdolabı soğutucu bölmesinde sıcaklık dağılımının deneysel ve sayısal incelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 77 s.
Altaç, Z., Sert, Z., Mahir, N., Timuralp, Ç. 2019. Mixed convection heat transfer from a triangular cylinder subjected to upward cross flow. Int. J. Therm. Sci. 137: 75-85. Doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2018.11.010
Chang, K. S., Sa, J. Y. 1990. the effect of vortex shedding in the near wake of a circular cylinder. J. Fluid Mech. 220: 253–266. Doi: 10.1017/S002211209000324X
Churchill, S. W., Bernstein, M. 1977. A correlating equation for forced convection from gases and liquids to a circular cylinder in crossflow. J. Heat Trans. 99 (2): 300-306. Doi: 10.1115/1.3450685
Dhiman, A. K., Sharma, N., Kumar, S. 2014. Buoyancy-aided momentum and heat transfer in a vertical channel a built-in square cylinder. Int. J. Sust. Ener. 33(5): 963-984. Doi: 10.1080/14786451.2013.764878
Gandikota, G., Amiroudine, S., Chartterjee, D., Biswas, G. 2010. The effect of aiding/opposing buoyancy on two-dimensional laminar flow across a circular cylinder. Numer. Heat. Tr. A-Appl. 58: 385-402. Doi: 10.1080/10407782.2010.505167
Guillen, I., Trevino, C., Martinez-Suastegui, L. 2014. Unsteady laminar mixed convection heat transfer from a horizontal isothermal cylinder in contra-flow: Buoyancy and wall proximity effects on the flow response and wake structure. Exp. Therm. Fluid Sci. 52: 30-46. Doi: 10.1016/j.expthermflusci.2013.08.019
Houssem, L., Mohamed, B. 2017. The Effect of asymmetrically confined circular cylinder and opposing buoyancy on fluid flow and heat transfer. Defect Diff. Forum. 374: 18-28. Doi: 10.4028/www.scientific.net/DDF.374.18
Incropera, F. P., Dewitt, D. P., Theodore, L. B., Lavine, A. S. 2015. Isı ve Külte Geçişinin Temelleri. Palme Yayınevi, ISBN: 9786053552826, 1046 s.
Jassim, S. L. G. 2010. Numerical study of the mixed convection flow over a square cylinder. Iraqi J. Chem. Petro. Eng. 11(1): 29–45. Doi:-
Mahir, N., Altaç, Z. 2019. Numerical investigation of flow and combined natural-forced convection from an isothermal square cylinder in cross flow. Int. J. Heat Fluid Fl. 75: 103-121. Doi: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2018.11.013
Moulai, S., Korichi, A., Polidori, G. 2016. Aided mixed convection past a heated square cylinder at low blockage ratio. J. Appl. Fluid Mech. 9(1): 303–310. Doi: 10.18869/acadpub.jafm.68.224.22891
Patel , S. A., Chhabra, R. P. 2016. Laminar free convection in Bingham plastic fluids from an ısothermal elliptic cylinder. J. Thermophys. Heat Tr. 30(1), 154-168. Doi: 10.2514/1.T4578
Patnaik, B. S. V., Narayana, P. A. A, Seetharamu, K. N. 1999. Numerical simulation of vortex shedding past a circular cylinder under the influence of buoyancy. Int. J. Heat Mass Trans. 42: 3495–3507. Doi: 10.1016/S0017-9310(98)00373-1 Salcedo, E., Cajas, J. C., Trevino, C., Martinez-Suastegui, L. 2016a. Unsteady mixed convection heat transfer from two confined isothermal circular cylinders in tandem: Buoyancy and tube spacing effects. Int. J. Heat Fluid Fl. 60: 12-30. Doi: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2016.04.001
Salcedo, E., Cajas, J. C., Trevino, C., Martinez-Suastegui, L. 2016b. Numerical investigation of mixed convection heat transfer from two isothermal circular cylinders in tandem arrangement: buoyancy, spacing ratio, and confinement effects. Theor. Comp. Fluid Dyn. 31: 159–187. Doi: 10.1007/s00162-016-0411-z
Salcedo, E., Trevino, C., Palacios-Morales, C., Zenit, R., Martinez-Suastegui, L. 2017. Experimental study on laminar flow over two confined isothermal cylinders in tandem during mixed convection. Int. J. Therm. Sci. 115: 176-196. Doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2017.01.015
Sharma, A., Eswaran, V. 2004a. Heat and fluid flow across a square cylinder in the two-dimensional laminar flow regime. Numer. Heat. Tr. A-Appl. 45 (3): 247–269. Doi: 10.1080/10407780490278562
Sharma, A., Eswaran, V. 2004b. Effect of aiding and opposing buoyancy on the heat and fluid flow across a square cylinder at Re=100. Numer. Heat. Tr. A-Appl. 45(6): 601–624. Doi: 10.1080/10407780490277798
Sharma, N., Dhiman, A. K., Kumar, S. 2012. Mixed convection flow and heat transfer across a square cylinder under the influence of aiding buoyancy at low Reynolds numbers. Int. J. Heat Mass Tran. 55 (9-10): 2601–2614. Doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2011.12.034 Singh, S., Biswas, G., Mukhopadhyay, A. 1998. Effect of thermal buoyancy on the flow through a vertical channel with a built-in circular cylinder. Numer. Heat. Tr. A-Appl.34 (7): 769–789. Doi: 10.1080/10407789808914015
Singh, S K., Panigrahi, P. K., Muralidhar, K. 2007. Effect of buoyancy on the wakes of circular and square cylinders: a schlieren-interferometric study. Exp. Fluids. 43(1): 101-123. Doi: 10.1007/s00348-007-0329-8
Şentürk, U. 2018. Serbest akım içerisinde salınan bir silindir etrafındaki akışın ataletsiz koordinatlarda sayısal incelenmesi. Pamukkale Univ. Muh. Bilim. Derg. 24(1): 13-18. Doi: 10.5505/pajes.2017.92195
Zeioun, O., Mohamed, A., Nuhait, A. 2011. Convective heat transfer around a triangular cylinder in an air cross flow. Int. J. Therm. Sci. 50 (9): 1685-1697. Doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2011.04.011
Zhang, N., Rong, L. W., Dong, K. J., Zeng, Q. D. 2020. Fluid flow and heat transfer characteristics over a superelliptic cylinder at incidence. Powder Technol. 2020: 193-208. Doi: 10.1016/j.powtec.2019.09.076
Zhang, W., Samtaney, R. 2016. Numerical simulation and global linear stability analysis of low-Re flow past a heated circular cylinder. Int. J. Heat Mass Tran. 98: 584–595. Doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.03.058
Zhu, H., Tang, T., Zhou, T., Liu, H., Zhong J. 2020. Flow structures around trapezoidal cylinders and their hydrodynamic characteristics: Effects of the base length ratio and attack angle. Phys. Fluids. 32: 103606. Doi: 10.1063/5.0021043