NUMERICAL ANALYSIS OF EFFECTS OF THE TWISTING ANGLE ON THERMOHYDRAULIC PERFORMANCE OF A HEXAGONAL PIN FIN ARRAY

Abstract

ABSTRACT

In this study, the effects of pitch ratio and diagonal length of twisted pin fin array in heat sink on the flow and heat transfer characteristics have been determined numerically. Numerical calculations have been conducted under turbulent flow condition (2658≤Re≤7138). While the length of edge has been changed 3≤Lef≤6 and the pitch ratio has also been varied between 0.75≤p/e≤1.1. Variation of twisting ratio (TR=50, 100, 200) of the pin fins has also been examined in detail.

The study has been carried out using Ansys Fluent 2020R2 code with low-Re correction application and SST k-ω turbulence model. Using numerical results, to reveal the flow characteristics comprehensively, the contours have been created for vorticity, velocity, and temperature. The thermohydraulic performance of the study has been clarified in detail with calculating average Nusselt number, average Darcy friction factors, thermal resistance, and Performance Elevation Criteria (PEC). In the first part of this thesis, heat exchangers and heat sinks are explained in detail. Especially, types and designs of heat sinks, the principals of heat transfer and the thermal resistance concept have been defined in detail. The fin arrangements and the mechanism of action of the fins in heat sinks have also been presented.

In the second part of the thesis, the research and studies that were conducted previously in this field and the developments that occurred in them are discussed in detail.

In the third part of the thesis, numerical method is presented in detail. Governing equations with boundary conditions are given. Numerical procedure is also defined in detail in this section.

In the fourth part of the thesis, the results have been given with graphs and contours for different cases. The case1 for TR=50 has been determined as the optimum case for this study.

In the Conclusion section of the thesis all the findings have been given in briefly.

ÖZET

Bu çalışmada, ısı alıcıdaki bükümlü pin kanat dizisinin hatve oranı ve diyagonal uzunluğunun akış ve ısı transfer özellikleri üzerindeki etkileri sayısal olarak belirlenmiştir. Türbülanslı akış koşulunda (2658≤Re≤7138) sayısal hesaplamalar yapılmıştır. Kenar uzunluğu 3≤Lef≤6 aralığında değiştirilirken, hatve oranı ise 0.75≤p/e≤1.1 arasında değiştirilmiştir. Pim kanatlarının burulma oranının (TR=50, 100, 200) değişimi de detaylı olarak incelenmiştir.

Çalışma, SST k-ω türbülans modeli ve düşük Re düzeltme uygulaması ile Ansys Fluent 2020R2 kodu kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Akış özelliklerini kapsamlı bir şekilde ortaya çıkarmak için sayısal sonuçlar kullanılarak girdap, hız ve sıcaklık için kontür grafikler oluşturulmuştur. Çalışmanın termohidrolik performansı, ortalama Nusselt sayısı, ortalama Darcy sürtünme faktörleri, termal direnç ve Performans Değerlendirme Katsayısı (PDK) hesaplanarak detaylı olarak sunulmuştur. Tezin ilk bölümünde, ısı eşanjörleri ve ısı alıcıları detaylı olarak açıklanmıştır. Özellikle, ısı alıcı çeşitleri ve tasarımları, ısı transferinin esasları ve ısıl direnç kavramı ayrıntılı olarak tanımlanmıştır. Ayrıca, ısı alıcılardaki kanatçık düzenlemeleri ve kanatçıkların etki mekanizması da sunulmuştur.

Tezin ikinci bölümünde, bu alanda daha önce yapılmış araştırma ve çalışmalar ile bunlarda meydana gelen gelişmeler ayrıntılı olarak ele alınmıştır.

Tezin üçüncü bölümünde, sayısal yöntem ayrıntılı olarak sunulmuştur. Temel denklemler ve sınır koşulları verilmiştir. Sayısal çözüm yöntemi bu bölümde ayrıntılı olarak tanımlanmıştır.

Tezin dördüncü bölümünde, farklı durumlar için sonuçlar grafikler ve kontürler ile sunulmuştur. TR=50 için Durum1 koşulu bu çalışma için optimum durum olarak belirlenmiştir.

Tezin Sonuç bölümünde ise tüm bulgular kısaca özetlenmiştir.