YALOVA ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ UYGULAMALI MÜHENDİSLİK MODELLEMESİ

Transkript

1 YALOVA ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ UYGULAMALI MÜHENDİSLİK MODELLEMESİ RAPOR Eren SOYLU İsa Yavuz Gündoğdu

2 GİRİŞ Uygulamalı Mühendislik Modellemesi dersi kapsamında Hava Kanalında Isı Transferi Deney Seti nde yapmış olduğumuz deneyin simülasyonunu ANSYS FLUENT Akışkan Analizi ve Simülasyonu programında inceledik ve elde ettiğimiz verilerle simülasyon verilerini karşılaştırarak analizimin doğruluğu hakkında fikir sahibi olduk. Ayrıca ANSYS FLUENT in modellemesi için gerekli geometrik modeli oluşturmayı, bu modeli oluştururken ise gerçek modelden bazı sapmalar yapmamız gerektiğini göz önüne aldık ve sonuçlara etkilerini gördük. Bunun yanında ise mesh kalitemizin ne kadar önemli olduğunu ve bu uygulamada yaptığımız modelin mesh sayısının ise gerçeğe yakın olması için gerekli çalışmalarda bulunduk. Sonuçlarımız ve çalışmalarımız aşağıda gösterilmiştir. ANSYS FLUENT MATEMATİKSEL MODELİ ve ÇÖZÜM YÖNTEMİ Ansys FLUENT ile problem çözümümüzde FLUENT 2 farklı denklem sistemi kullanmaktadır. Bunlardan birincisi Navier-Stokes denklemleri ile akışkan parçacıklarının hızlarının analizi diğeri ise enerji denkemidir. İlgili denklemler aşağıda verilmiştir. Navier-Stokes Denklemi (x- ekseni için); 3 Boyutlu Kartezyen koordinatlar için;

3 Bu denklemde u/ t zamana bağlı ivmelenmeyi, u u akışkan parçacıklarının combine edilmiş adveksiyon etkilerini, v 2 u difüzyon etkilerini, p basınç gradyenini, f ise gövdeye etkiyen kuvvetleri gösterir. Enerji Denklemi ise; ρ Şeklinde verilmiştir. Bu denklemde ise keff efektif taşınım katsayısını ( k + kt, burada kt türbülanslı akışlarda termal taşınım katsayısıdır), J j ise çok fazlı akışlarda j adet türün difüzyon katsayısıdır. Denklemde verilen diğer değişkenler içinse; Ve ideal gazlar içinse entalpi; Şeklinde hesaplanmaktadır.sıkıştırılamaz akışlar içinse, Olmak üzere Yj akışkan içerisindeki türün kesrini, Tref ise referans sıcaklığını gösterir.

4 GEOMETRİK MODEL Geometrik modeli oluştururken gerçek modelden biraz farklılaşarak sadece akışkanın gövde kısmını modelledik. Bunun sayesinde limitli işlemci gücümüzle daha kısa sürede cevaba ulaştık. Gerçek deney setinin kesiti ve boyutları aşağıda gösterilmiştir. Bu deney düzeneğinin ANSYS modelinde ise aşağıdaki gibi oluşturulmuştur.

5 Bu modelde sadece akışkanın gövdesi bulunmakta ve ısı transferi yüzeyleri ile giriş ve çıkış şartları, aynı zamanda adyabatik duvar şartları bulunmaktadır.

6 MESH YAPISI ve İSTATİSTİKLERİ Uygulanan mesh yapısı üstteki şekilde gözükmektedir. Oluşturulan örgülerde ANSYS Meshing modülünün yaklaşımlılık ve eğrililik fonksiyonu kullanılmıştır. Minimum parça boyutu ise 1.047e-3 m alınmış, maksimum parça boyu ise e-3 m alınmıştır. Toplam düğüm sayısı adet ve eleman sayısı ise adettir.aynı Zamanda oluşturulacak sınır şartları için geometrik girdi güzeyleri aşağıdaki tabloda verilmiştir. Model (A3) > Named Selections > Named Selections Object Name in out heat wall State Fully Defined Scope Scoping Method Geometry Selection Geometry 6 Faces 1 Face 5 Faces 13 Faces Definition Send to Solver Yes Visible Yes Program Controlled Inflation Exclude

7 Statistics Type Manual Total Selection 6 Faces 1 Face 5 Faces 13 Faces Suppressed 0 Used by Mesh Worksheet No MODEL KURULUMU VE SINIR ŞARTLARI Oluşturulan model için ANSYS FLUENT in Enerji Denklemi kullanılmış ve akışkan için viskozlaminar akış tanımlaması yapılmıştır. Akışkan olarak hava tanımlanmış ve akışkan özellikleri ANSYS in malzeme kütüphanesinden alınmıştır. Akış sıkıştırılamazdır ve Özgül ısı, Viskozite ve diğer yeğin özellikleri sıcaklıktan bağımsız sabit olarak tanımlanmıştır. Sınır Şartları ise aşağıdaki gibidir. İn Hız girişi Hız : m/s Y yönünde Out Basınç çıkışı Wall Isı transferi ve üretimi yok Heat Sıcaklık olarak tanımlanmıştır. ( K ) Hesaplama Yaklaşık iterasyonda bitmiş ve Sonuçları aşağıdaki gibidir.

8 SONUÇLAR Sıcaklık Gradyeni Doğrusallaştırılmış akış gradyenleri

9 Aynı zamanda tek bir doğru üzerinde grafiksel inceleme yaılırsa, tam orta noktadaki thermocouple ın pozisyonu için grafikler aşağıdaki gibi verilmiştir. Yukarıda sarı ile gösterilen konum için grafikler aşağıdaki gibidir.

10

11

12 SONUÇ Yaptığımız çalışmalar sonucunda bir hava kanalından ısı transferini ANSYS FLUENT programını kullanarak nasıl modelleyeceğimizi ve gerçek sonuçlarla arasında meydana gelen farklılıkları gördük. Grafiklerden elde ettiğimiz sonuçlar thermocouple ın olduğu lokasyonda ki sıcaklığı C arası bulduk. Deneylerden elde ettiğimiz veriler ise C arasını göstermektedir. Oluşan yaklaşık 16,5 C lik farkı incelediğimizde mesh yapısının yetersiz kaldığını ve sonlu elemanlar yöntemi ile yapılan numerik çözümlerin hata oranlarının arttığını gördük. Aynı zamanda simülasyon yaparken uyguladığımız adugebatik duvar kabuğu sebebiyle de ısı transferi sırasında oluşan kayıpları ihmal etmiş olduk. Bu ihmaller yüzünden ve yalnızca akışkan sınırları modellendiğinden yani alüminyuma olan ısı transferi ihmal edildiğinden dolayı simülasyon sonucuyla deney sonuçları farklı çıkmıştır ve gerçek değerden uzaklaşmıştır. Daha kaliteli bir mesh ve daha detaylı modelleme / model oluşturma tanımları ile sonucumuz gerçeğe daha çok yaklaşabilirdi fakat bu çözüm sürecimizi uzatırdı.