Search

Standart sartlar altında, havanın bir MEMS içerisindeki hareketi sırasında, ortalamaserbest uzaklıgın akısa ait karakteristik boya oranının büyük olması sebebi ile seyrelmisgaz akısı söz konusu olur. Kayma bölgesinde yer alan bu tip akıslar, sınır sartlarınınuygun sekilde degistirilmesi kosuluyla Navier-Stokes çözücüler gibi sürekli ortamyaklasımına dayalı modeller kullanılarak analiz edilebilirler. Bu çalısmada,Karakteristik Tabanlı Ayırma algoritmasına ait kaymama ve sıcaklık degerlerindesıçrama olmaması kosulları, kayma-hızı ve sıcaklık-sıçraması sınır sartlarını saglayacaksekilde degistirilmistir. Buna ek olarak, hareketli sınırlara sahip akıs problemlerininmodellenebilmesi için, hareketli ve deformasyona ugrayan ag yaklasımı, Keyfi-Lagrangian?Euleri formülasyonu kullanılarak algoritma ile bütünlestirilmistir.Kullanılan algoritmanın kapalı yöntemle hesaplama yapılan kısmının büyüklügü, sankiikinci-derece-hız/lineer-basınç (pP2P1) elemanlarının Sonlu Elemanlar uygulamasındakullanılmasıyla azaltılmıstır. Algoritmanın gelisen kapasitesi kullanılarak, sıkıstırılamazakıstan sıkısabilire, sürekliden seyrelmis gaz akısına kadar birçok akıs problemiçözülmüs ve kapsamlı analizler gerçeklestirilmistir. Bu problemlerden, ters basamakiçindeki laminer akıs ve NACA0012 etrafındaki viskoz akıs sürekli bölgede yer alırken,mikro sentetik jet eyleyici akısı, mikro kanal içindeki akıs ve mikro boyutlu tersbasamak içindeki ayrılan akım problemleri kayma bölgesinde yer almaktadır. Eldeedilen sonuçların literatürdekilerle karsılastırılması sonucunda, yapılan degisikliklerlesöz konusu algoritmanın kayma bölgesinde yer alan mikro akıs problemlerininçözümünde etkin bir sekilde kullanılabilecegi görülmüstür.Anahtar Kelimeler: karakteristik tabanlı ayırma, sonlu elemanlar yöntemi, mikro akıs,kayma-hızı, sıcaklık-sıçraması, sentetik jet eyleyici At standard temperature and pressure, air flow in MEMS can be considered as rarefiedsince the ratio of free molecular path to the characteristic length of the device is high. Itis possible to analyze these flows using a continuum model such as Navier-Stokes, withmodified boundary conditions. In this study, traditional no-slip/no-temperature-jumpboundary condition of the Characteristic-Based-Split algorithm is modified toaccommodate slip velocity/temperature-jump boundary conditions. In addition to this,moving deforming mesh concept is coupled with the algorithm using Arbitrary-Lagrangian-Eulerian approach to model fluid flow problems with moving boundaries.To reduce the size of implicit part of the algorithm, pseudo-quadratic velocity/linearpressure (pP2P1) elements are employed for Finite Element implementation. Usingextended capability of the algorithm, gas flow problems varying from incompressible tocompressible, from continuum to rarefied are solved and comprehensive analyses aredone. Laminar flow past a backward facing step and laminar viscous flow overNACA0012 are the flow problems in continuum regime, while the Micro synthetic jetactuator flow, micro channel flow and separated flow in a micro backward facing stepare flow problems in slip regime investigated numerically in this study. Comparison ofthe results, obtained using modified algorithm, with the results available in literatureshows that the implementation of the algorithm is applicable and effective for microflows in slip regime.Keywords: characteristic-based-split, finite element method, micro flow, slip-velocity,temperature-jump, synthetic jet actuator 112

Kavite akışları, 1950'lerden itibaren birçok alanda araştırmaya konu olmuş, aerodinamik ve aeroakustik alanlarında önemli bir yer edinen ve içinde birden çok disipline ait olgular barındıran bir akış tipi olma özelliğine sahiptir. Kavite akışı araştırmaları, 1950'lerde dâhili silah yuvalarının kullanımı fikrinin ortaya çıkmasıyla ile başlamış olup günümüzde halen devam etmektedir. Son zamanlarda, yeni nesil savaş uçaklarının radar kesit alanlarını azaltma, maruz kaldıkları aerodinamik sürükleme ve ısınmaları en aza indirgeme gereksinimleri gibi ihtiyaçlar sebebiyle kavite çalışmaları yeniden hız kazanmıştır. İlk zamanlarda çoğunlukla teorik ve deneysel olarak yürütülen çalışmalar, güçlü bilgisayar donanımlarının ve hesaplama yeteneklerinin ortaya çıkması sayesinde, günümüzde sayısal olarak da yürütülmektedir. Kavite akışları sadece dâhili silah yuvalarında değil, uçakların iniş takımları, kara araçlarının pencereleri ve açılır tavanları gibi birçok alanda pratik olarak görülebilmektedir.Kavitelerin yarattığı en büyük sorunlardan birisi oluşan yüksek basınç salınımları ve gürültüdür. Kaviteler, açık ve kapalı olarak iki ana kategoriye ayrılmaktadır. Açık kavitelerde, öz salınım sebebiyle yüksek derecede gürültü oluşabilmektedir. Kavite hücum kenarından kopan ve serbest bir kayma tabakası şeklinde girdaplar üreterek ilerleyen akış, kavite firar kenarına çarpıp bu kenar ile etkileşime girerek güçlü akustik dalgaların oluşumuna neden olmaktadır. Oluşan akustik dalgalar yukarı akım yönünde ilerlemekte ve firar kenarından kopup gelen tabaka ve girdaplarla etkileşime girerek bu girdapları etkilemektedir. Bu geri besleme mekanizması ve akustik etkileşimler, yüksek basınç salınımlarına, gürültü ve titreşime yol açmaktadır. Zaman içerisinde yapılan birçok çalışma, kavitelerde temel ses kaynağı olan arka duvarın önemli bir role sahip olduğunu göstermiştir. Kavitelerin oluşturduğu gürültüyü azaltmak amacıyla yıllar içerisinde birçok araştırma yapılmıştır ve yapılmaya devam etmektedir. Yolcu uçaklarının iniş takımlarının kapaklarının açılması nedeniyle oluşan kaviteler 160 dB seviyelerinde ses oluşturabilmekte, bu ses ise pilotlar için yanıltıcı, yolcular için rahatsız edici olabilmektedir. Bomba ve füze dâhili yuvalarının oluşturduğu kaviteler ise yüksek basınç salınımları sonucu mühimmatın uçaktan güvenli ayrılmasını engelleyebilmekte, kavitenin çevresindeki yapıya ve sonuç olarak uçağa zarar verebilmektedir. Kavite akışları, geometrik olarak basit bir şekle sahip olmasına rağmen akışın düzensizliği sebebiyle zorlu bir fiziğe sahip bir problem olarak öne çıkmaktadır. Bu sebeple dikkatli bir şekilde ele alınmalı ve incelenmelidir.Bu tez, kavite akışlarını incelemeyi, anlamayı ve kavite akışlarında ortaya çıkan gürültüyü en aza indirgemeyi amaçlamaktadır. Kavite akışlarında gürültü oluşumunu azaltmak için kullanılan yöntemler pasif ve aktif olarak ikiye ayrılmaktadır. Aktif kontrol yöntemleri sisteme harici bir enerji girdisi gerektirirken, pasif kontrol yöntemlerinde böyle bir ihtiyaç duyulmamaktadır. Pasif kontrol yöntemleri, kavite geometrisine çeşitli değişkeler yaparak veya kaviteye harici cihazlar ekleyerek akışı kontrol etmeyi amaçlayan yöntemler olarak özetlenebilir. Aktif yöntemlerde ise akışa ve kaviteye dışarıdan müdahaleler ve bir enerji alış-verişi söz konusu olmaktadır. Pasif kontrol yöntemlerinin aktif yöntemlere göre kullanım alanının daha fazla olması sebebiyle, bu tez kapsamında pasif kontrol yöntemleri üzerine durulmuştur. Tez içerisinde, öncelikle temiz kavite olarak adlandırılan, herhangi bir akış kontrol yöntemi içermeyen ve dikdörtgensel bir şekle sahip olan bir kavite incelenmiştir. Daha sonra bu kavite geometrisi üzerinde çeşitli pasif kontrol yöntemleri kullanılarak oluşan gürültünün azaltılması hedeflenmiştir. Bu pasif kontrol yöntemleri, kavite duvarlarının (ön, arka) çeşitli değişkeleri, kavite öncesine dış kontrol cihazlarının yerleştirilmesi (spoyler, girdap üreteci), kaviteden geometrik değişkelerle pasif emme ve üfleme yapılmasının sağlanması ve bahsedilen pasif kontrol yöntemlerinden birkaçının birleştirilmesi olarak sıralanabilir. Tez kapsamında kavite araştırmaları sayısal bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi ile yürütülen sayısal analizler, açık kaynak kodlu bir yazılım olan OpenFOAM® ile yapılmıştır. OpenFOAM® yazılımının sıkıştırılabilir, dolaşık akışlar için tasarlanmış olan ve zamana bağlı çözümler elde edilmesini sağlayan basınç-tabanlı alt-çözücüsü rhoPimpleFoam kullanılmıştır. 3 boyutlu olarak yürütülen analizlerde, temel alınan kavitenin L/D oranı 5, W/D oranı 1 olarak belirlenmiştir. 0.508 metre uzunluğa, 0.1016 metre derinliğe ve 0.1016 metre genişliğe sahip olan kavite, 0.85 Mach serbest akış hızında ve yaklaşık 1x107 Reynolds sayısında incelenmiştir. Reynolds sayısı, kavite uzunluğu temel alınarak hesaplanmıştır. Yürütülen analizler için k-ω SST URANS dolaşım modelinin temel alındığı bir Ayrık Burgaç Benzetimi (ABB) olan k-ω SSTDES yöntemi kullanılmıştır. Zamana bağlı olarak yürütülen analizler, Courant sayısı biri geçmeyecek şekilde yaklaşık olarak 10-6 saniye zaman adımında yürütülmüştür. Bir taşınımsal zaman ölçeği, bir akış parçacığının kaviteyi boydan boya geçtiği süre olarak hesaplanmış ve analizler 50 taşınımsal zaman ölçeği süresince yürütülmüştür. Son 40 taşınımsal zaman ölçeğine ait verilerin ortalaması alınarak sonuç için saklanmıştır. Analizler süresince kavite tabanında 10 farklı noktada basınç ölçümleri yapılmış ve basıncın zamana bağlı profilleri oluşturulmuştur. Analizler, gereken hesaplama gücünün fazlalılığı, kullanılan hücre sayısının çokluğu ve çok fazla konfigürasyonun ele alınması sebebiyle paralel bir şekilde, 200-280 çekirdek kullanılarak gerçekleştirilmiştir.Elde edilen sonuçlar, gerek temel alınan temiz kavite ile gerek kendi aralarında karşılaştırılmıştır. Temiz kavite analizleri, doğrulama amacıyla deneysel veriler ve daha önce gerçekleştirilmiş olan sayısal çalışma verileri ile karşılaştırılmıştır. Temiz kavite konfigürasyonu için Rossiter modları olarak da adlandırılan akustik keskin tonlar deneysel ve teorik verilerle kıyaslanmış, yakın sonuçlar elde edilmiştir. Kavite içerisindeki boylamsal hız profilleri daha önceki sayısal sonuçlarla karşılaştırılmış ve benzer profiller yakalanmıştır. Kavite tabanındaki ortalama ses basınç tayf düzeyi (OASPL) dağılımı profili genel hatlarıyla yakalanmış fakat deneysel verilere göre ~5 dB daha fazla değerlerle karşılaşılmıştır. Bu durum, literatürdeki sayısal çalışmalarda da göze çarpmaktadır. Kavite çevresindeki akış, Mach, dolaşım yoğunluğu, OASPL gibi birçok yönden ortalamalar alınarak incelenmiştir. Zamana bağlı hız konturları sayesinde akışın salınımlı ve düzensiz yapısı ortaya konulmuştur. Anlık Q-kriteri eşyüzeyleri gösterilerek akışın üç boyutlu dönel kaotik yapısı sunulmaya çalışılmıştır. Kavite tabanındaki kontrol noktalarından alınan basınç verileri sayesinde basıncın zamana bağlı dolaşık salınım profilleri incelenmiştir. Kavite tabanındaki OASPL dağılımları hesaplanarak her bir konfigürasyonun yaptığı iyileştirmeler göz önüne serilmeye çalışılmıştır. Bu aşamadan sonra, pasif kontrol yöntemlerine ait incelemeler yapılmaya başlanmıştır.Kavite arka duvarının gürültü oluşumunda oynadığı rol düşünüldüğü zaman, en önemli iyileştirmelerin arka duvar geometrisinin değiştirildiği konfigürasyonlarda olması beklenmiştir ve nitekim öyle de olmuştur. Ayrıca, kavite önüne yerleştirilen spoyler tarzı cihazların sınır tabakanın hareketini değiştirip, bu tabakaya kavite hücum kenarından ayrıldıktan sonra bir yükseltme kazandırdığı ve kayma tabakasının arka duvarla etkileşimini azalttığı için gürültü oluşumunun azaltılmasında faydalı olduğu görülmüştür. Kavite arka duvarına 45° eğim verilmesi, oluşan akustik ses dalgalarını kavite dışına yönlendirdiği için kavite tabanındaki OASPL profilinde ortalama ~10 dB civarında iyileştirme sağlamıştır. Kavite önüne yerleştirilen spoyler ve girdap üreteci çalışmalarında ise yine benzer derecelerde iyileştirmeler sağlanmıştır. Arka duvar konfigürasyonları ile spoyler konfigürasyonlarının birlikte uygulandığı birleşik pasif kontrol yöntemlerinde ise yine ortalam 8-9 dB iyileştirmeler sağlanmıştır.Tez kapsamında, açık kaynak kodlu çözücülerin kullanılabilirliği ve kavite akışı gibi zorlu bir fiziğe sahip olan problemlerde gösterdiği başarı sunulmaya çalışılmıştır. Ek olarak, açık kaynak kodlu OpenFOAM® yazılımının, doğru paralleştirme ayarları ile yüksek hesaplama gücü gerektiren problemlerde uygun bir araç olabileceği gösterilmiştir. Cavity flows have been an interesting subject since 1950's when the studies on internal weapon bays were first conducted. Since then, numerous experimental, theoretical and numerical researches have been performed on the subject. Despite the simple geometry, cavity flows have a complex and unsteady flow physics behind. Besides internal weapon bays, cavity flows may also be encountered in wheel wells, car sunroofs and windows, and so on.A major problem that has been related to cavities is the generation of excessive noise and presence of severe pressure oscillations. In open cavities where the flow has the sufficient energy to bridge the cavity, a self-oscillation mechanism takes place. The flow that is separated from the cavity leading edge which forms a free shear layer along the cavity mouth region up until the cavity trailing edge, impinges on cavity aft wall and interacts with it, and eventually generates strong acoustic waves. These acoustic waves then travel upstream and interact with the vortices that formed because of the separation of the flow at cavity leading edge and with the free shear layer, resulting in an excitement of the flow. This feedback mechanism and acoustic interactions result in severe pressure oscillations, noise generation and vibration. Many studies conducted over time have shown that the aft wall of cavity, the main source of the sound, has non-negligible importance on these studies. In order to reduce the noise generated by cavity flows, numerous researches have been conducted over the years and continue to be done.The fundamental aim of this thesis is to examine and comprehend the physics of cavity flows and at the same time endeavouring the reduction of noise generation and minimization highly oscillatory behavior of the flow. The methods applied to reduce the noise generation in the cavity flows are divided into two as passive and active control methods. Active flow control methods require an energy input to the system whilst passive flow control methods require no such input. Making various changes to the cavity geometry or adding/subtracting some external devices to/from the cavity are some of the well-known methods that may be categorized as passive flow control methods. Considering that the passive flow control methods have a wider area of usage than passive flow control methods, they have been emphasized in this thesis.In the present thesis, firstly, a rectangular shaped cavity with no flow control mechanism is investigated. Following to that, various passive flow control methods such as reshaping cavity walls (front, aft walls), placing external devices to cavity upstream wall (spoilers, vortex generators), injecting/sucking flow passively to/from the cavity and combining some of the aforementioned methods are applied with the aim of reducing the noise generation. Within the scope of the thesis, cavity flow analyses are conducted numerically. Simulations were carried out with a Finite Volume Navier-Stokes solver of the open-source software OpenFOAM® (Open source Field Operation and Manipulation). The compressible solver of OpenFOAM®, rhoPimpleFoam is used. The rectangular shaped cavity geometry has L/D ratio of 5 and W/D ratio of 1. The length of the cavity is specified as 0.508 meters and the depth and the width as 0.1016 meters. Freestream Mach number is taken as 0.85 which corresponds to a Reynolds number of ~1x107 based on the cavity length. A Detached Eddy Simulation (DES) method based on the k-ω Shear Stress Transport (SST) Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes (URANS) turbulence model is used throughout the simulations. Transient analyses were conducted for a Courant number of less than unity with a time step of ~10-6 seconds. One convective time scale (CTS) is calculated as the passage of a flow particle through the cavity length and analyses are carried out for 50 CTS. Data of last 40 CTS are stored and used for the result of mean values. Probes are placed to cavity floor at ten different locations to measure the pressure history. The simulations were carried out using 200-280 cores in a parallel manner. The high number of required computational power, large number of grids and great number of configurations have obligated the use of parallelization.Results of passive flow control methods are gathered and compared with both each other and with the original baseline cavity. Results of baseline cavity, that is named as clean cavity, are compared with the available experimental and numerical findings with the aim of validation. Discrete acoustic tones seen in cavity, called Rossiter modes, have been compared and similar results are found with the theoretical and experimental data. Mean longitudinal velocity profiles are compared with the available numerical data and satisfactory consistence is observed. Overall sound pressure level (OASPL) distribution on cavity floor was caught in general and the profiles are seen to be similar with a slight overprediction of ~5 dB than the experimental data. This overprediction is also seen in other numerical studies in the literature. Once the validation of the current model is obtained, passive flow control methods are analyzed. Considering the aft wall being the main source of the noise generation, aft wall configurations have proven to be useful in terms of noise reduction. Spoiler and vortex generators have also been found to be efficient since they lift or deteriorate the incoming boundary layer. Inclining the cavity aft wall by 45° has reduced the OASPL distribution on cavity floor by ~10 dB since this inclination diverts the pressure waves outside of the cavity and prevent the strong excitations of the flow. Combined passive flow controls -applied in this study- where aft wall modifications are implemented simultaneously with spoilers have also been effective at noise reduction.Results are also examined in terms of flow contours, isosurfaces and pressure histories. Mean contours of Mach, turbulence intensity, OASPL are inspected for and compared with each configuration. Instantaneous contours of flowfield are also given to provide a more detailed insight to unsteady nature of the cavity flow. Isosurfaces of Q-criterion colored by x-vorticity are presented to visualize the chaotic three dimensional behavior of the flow.Applicability and success of open-source software for such challenging flows have been investigated within the scope of this thesis. It is also shown the open source software OpenFOAM®, with proper parallelization settings, might be an appropriate tool for problems that require high computing powers. 138

Son yıllarda uçak ve uzay alanında gittikçe artan rekabet sebebiyle daha karmaşık tasarımların üretimi önem kazanmaya başlamıştır. Bu sebeple, henüz tasarım aşamasındayken ortaya çıkarılacak potansiyel ürünün aerodinamik performansının belirlenmesi için kullanılacak analiz yöntemlerinin daha güvenilir ve alternatiflerinden daha yüksek performans göstermesi beklenmektedir. Kullanılacak yöntem ve araçların, geometrik olarak oldukça karmaşık tasarımları mümkün olan en az kaynak ve zaman kullanarak istenilen hassasiyette çözüm verecek şekilde performans çıktılarına sahip olmaları beklenmektedir.Bir hava-uzay ürününün aerodinamik performansını ortaya çıkarmak için deneysel yöntemlere göre çok daha düşük maliyetli ve hızlı olan hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntem ve araçlarının tasarım aşamasında kullanımı günümüzde standart halini almıştır. Hesaplamalı Akışkanlar dinamiği kısaca HAD olarak isimlendirilir ve bir sonuç ortaya çıkarabilmek için hesaplama ağına ihtiyaç duyarlar. HAD yöntemlerin kullanılan ağlar kabaca yapısal ve yapısal olmayan ağlar olarak iki ayrı grup altında toplanabilir. Her iki ağında getirdiği avantajlar vardır. Örneğin, yapısal ağlar basit geometriler etrafında kolay ve hızlı bir biçimde üretilebilirler ve daha az kaynağa ihtiyaç duyarlar. Diğer taraftan yapısal ağların karmaşık tasarımlar için üretimi oldukça güç ve maliyetlidir. Karmaşık geometriler için yapısal olmayan ağların kullanımı daha uygundur ancak bu ağların üretimi sırasında daha yüksek kapasiteli sistemlere ihtiyaç duyulur ve hesaplama sırasında da daha fazla işlemci ve hafıza kullanımı gerektirirler.Benek, yapısal ve yapısal olmayan ağların getirdiği avantajları birarada kullanmak için overset grid (çok katmanlı ağ) yöntemini geliştirip geleneksel yöntemlere bir alternatif olarak 1983 yılında literatüre kazandırmıştır. Bu yöntemde, birbirleriyle herhangi bir sınırı paylaşmayan birden fazla yapısal ağ kullanılarak hesaplama bölgesi oluşturulmaktadır. Hesaplama sırasında farklı ağlar arasında bilgi geçişi interpolasyon aracılığıyla gerçekleştirilmektedir.Hesaplama maliyetleri ve zamanını düşürmek için elde edilen çözümü dikkate alarak hesaplama ağının iyileştirilmesi olarak tarif edilebilen adaptif ağ iyileştirme, HAD alanında kullanımı gün geçtikçe artan bir yöntemdir. Kullanılan hesaplama ağının iyileştirilmesinde çözüm alanaındaki büyüklüklerin kendisi, gradayanları veya sayısal hataların hesaplama bölgesindeki dağılımı dikkate alınabilmektedir.Bu tez çalışmasında, çok katmanlı bir ağ ile temsil edilen 2-boyutlu bir hesaplama bölgesinde adaptif ağ iyileştirme de yaparak çözüm üretebilecek bir algoritma geliştirilmiştir. Geliştirilen kod, etrafında hesaplamanın gerçekleştirileceği cisim etrafındaki yapısal ağın kullanıcı tarafından girdi olarak verilmesinden sonra, cisim de dahil olmak üzere bütün hesaplama bölgesi için dikdörtgen elemanlardan oluşan bir yapısal ağ üretir. Kod kullanıcı tarafından belirlenen iyileştirme oranına göre cisim yüzeyine yaklaştıkça dörtgen elamanları dört eşit küçük parçaya bölerek ağı iyileştirir. Bu sayede cismin yüzeyine yakın bölgelerde ortaya çıkan ani ve yüksek değişimlerin olduğu alanlar akışın gerektirdiği seviyede bir ağ kullanıarak temsil edilmiş olur.Herbir ağ hücresinin konumu ve durumu bu hücreye atanan bir tamsayı ile etiketlenir. Bu tamsayı 1 ile 3 arasında bir değer alabilir. Numara atama işlemi sırasında etrafında hesaplama yapılacak cismin içinde kalan hücreler listeden çıkarılır ve sınırlar en iyi şekilde temsil edilecek biçimde iyileştirmeler yapılır. Bu sayede herbir ağ için sınırlar belirlenmiş olur. Hesaplama sırasında hücrenin etiketine bakılarak uygun hesaplama şeması devreye sokulur. Uygun şemanın seçimini hızlandırmak için çoklu sayısal ağaç yapısı kullanımıştır. Bu yöntem, hücrelerinin konumunu sorgulayan kriterler kullanarak tasnif ve depolama yapmaya yarar. Bir hücrenin temas ettiği diğer hücreleri bulmak için çoklu sayısal ağaç üretilir. Ardından, sınırlayıcı kutu `bounding box` testi uygulanır. Eğer bu test olumlu sonuç verirse hücreler arasında temas olması ihtmali oldugu için hücre sıralamaya dahil edilir. Eğer sonuç olumsuz ise hücre listeden çıkarılır.Üst üste binen hesaplama alanlarını verimli kullanmak ve minimize etmek için Halo yöntemi olarak adlandırılan özgün bir metot kullanılır. Bu yöntemde, geometriyi saran ağ veya ağların kartezyen ağ üzerine iz düşümü alınır. Bu iz düşüm bölgesi interpolasyonun yapılabileceği minimum hücre sayısını sağlayacak şekilde kartezyen ağın sınırdan içeriye doğru hücre eksiltilerek iyileştirilmesi yeniden yapılandırılır. Bu sayede cisme yapışık ağ ile kartezyen ağ kesişiminde yer ile alan hücre sayısı minimize edilmiş olur. Kesişim bölgesindeki herbir ağın yapay sınırı diğer ağ hücreleri tarafından kuşatılmış biçimdedir. Bu sayede söz konusu hücreler için kullanılan interpolasyon şemasına uygun hücre grupları meydana getirilir ve buna interpolasyon şablonu denir. Kullanılacak interpolasyon şablonunun uygunluğu Newton-Raphson testi yapılarak belirlenir. Bu çalışmada, hesaplamalarda korunumsuz açık bir interpolasyon şeması kullanılmıştır.Bu tez çalışmasında, ağ iyileştirmede konformal olmayan H-tipi iyileştirme yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntemde her bir hücre dört eşit alt hücreye bölünür veya dört eşit hücre birleştirilerek bir alt seviyedeki bir hücreyi meydana getirir. H-tipi iyileştirmede, dört kollu ağaç benzeri bir yapı kullanılarak veri yönetilmektedir. Temel seviyedeki ağa ait hücrelerin her biri bir ağaç ile temsil edilir. Her bir ağaca bir ağ iyileştirme kutusu olarak muamele edilir. Sayısal çözüm sırasında, her bir ağaç için bir fonksiyon kullanılarak iyileştirmeye ihtiyaç duyulup duyulmayacağını belirlemek üzere hesap yapılır. Fonksiyon akış alanındaki bütün hücrelere ait sayısal hatayı veya değişkenlere ait gradyan dağılımlarını dikkate alarak bir analiz gerçekleştirerek iyileştirme için bir eşik değeri tayin eder. Sonra, herbir hücreye ait değerlerin bu eşik değerini geçip geçmediklerine bakarak bu hücrelerin iyileştirme, durumunu koruma, veya eski haline geri dönme sürecine dahil olup olamdığına karar vererek bu hücreleri uygun biçimde işaretler. Ardından bu bilgileri kullanan dört-kollu ağaç yapısı veri tabanında gerekli değişiklikler yapılarak ağ iyileştirilir. Eski ağ üzerinde elde edilen çözüm yeni ağa aktarıldıktan sonra yeni ağ üzerinde hesaplamalar devam edilir.Dört kollu ağaç yapısında oluşan ağlarda iki farklı birleştirme yöntemi kullanılmaktadır. Bu yöntemlerin ilkinde, aynı ölçekte olan hücreler daha büyük bir dörtgen yapı oluşturacak şekilde birleştirilirler. Mümkün olan en az sayıda dörtgen elde etmek için de en zayıf iniş `weakest descend` yöntemi kullanılır. Farklı ölçekte hücrelerden meydana gelen dörtgen yapılar arasında bu yöntem interpolasyon gerektirir. Bu yöntem aynı seviyedeki hücrelerden her zaman dörtgen bölgelerin oluşturlmasının mümkün olmaması, özel veri yapısına ihtiyaç duyulması, yüksek hafıza gereksinimi ve pahalı hesaplama yükü sebebiyle her zaman avantajlı değildir. Bu sebeple bu çalışmada ikinci yöntem tercih edilmiştir. Bu yöntemde, aynı seviyedeki ağlardan ouşan bölgenin sınırındaki hücreler doğrudan olarak komşu ağların sınırındaki hücrelere bağlanırlar. Bu sayede interpolasyon kaullanımından doğabilecek hata ortadan kaldırılmış olur. Buna ek olarak bu yöntem hesaplama yükü ve hafıza gereksinimi bakımından ilk yöntemden daha az maliyetlidir.Bu tez çalışmasında, yukarıdaki paragraflarda detayları verilmiş olan yaklaşımlar kullanılarak C++ programlama dilinde iki boyutlu bir Navier-Stokes çözücüsü geliştirilmiştir. Bu çözücü, keyfi cisimler etrafında sesüstü akış problemlerin modellenmesinde kullanılabilmektedir. Çözücü Van leer akı ayırma şeması kullanmakta olup zamanda ve uzayda sırasıyla bir ve ikinci mertebe doğruluğa sahiptir. Geliştirilien çözücü kullanılarak silindir etrafında Mach=2.9 akışı modellenmiş elde edilen sonuçlar deney sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Silindir etrafındaki basınç katsayısı dağılımı farklı ağ iyileştirme yaklaşımları için karşılaştırılmış olup elde edilen sonuçlar için yapılan değerlendirmelerin bundan sonraki kod geliştirme çalışmalrına katkı sağlayabileceği düşünülmektedir. A 2D robust overset grid based adaptive mesh refinement algorithm is developed. Multiple meshes covering a complex geometry's surface are provided by the user. Using a quad tree data structure, a Cartesian mesh is generated to cover the domain and envelop the geometry. Each mesh's cells are given computational states that define how the flow properties are updated during the computational run. The computational states are then redefined according to the cells' spatial locations thereby generating a hole establishing ground and artificial boundaries between the meshes. Alternating digital tree approach is used to efficiently query spatial locations. The overlapping zones of the Cartesian mesh are optimized by generating a halo over the geometry then retracting the Cartesian mesh to the halo borderline. The meshes are explicitly interconnected using a non-conservative interpolation scheme which is second order in spatial accuracy; bilinear interpolation. The Adaptive mesh refinement is H-type where the governing data structure is a quad tree. The quad tree generated and refined according to the spatial proximity of its nodes to the geometry's surface. The tree nodes are then used to generate meshes of a given elementary resolution. These meshes are then interconnected using the interpolation scheme in order to establish connectivity thus forming the Cartesian mesh over the domain. During the computational run, a function, called the sensor function, is used to evaluate the severity of the gradients or numerical error at every node position. The quad tree is then reshaped and balanced in terms of resolution level by comparing the sensor function output to a threshold range. The new volume mesh is regenerated and the solution is remapped onto it from the old Cartesian Mesh. The algorithm is integrated to a C++ In-house 2D external supersonic viscous flow finite volume method solver that is second order in time and first order in space where the face reconstruction is based on Van Leer flux splitting scheme. 103

Baca gazı kükürt giderme sistemleri, enerji santrallerinin kurulumu sırasında veya santral kurulumu sonrasında değiştirilen çevre düzenlemelerindeki gerekli şartları sağlayamadıkları için yapılmaktadır. Türkiye'de kömür, ana enerji kaynağı olduğundan pek çok enerji santrali kömür-rezerv bölgelerinde kurulmuştur. Enerji santralleri kurulurken, farklı küresel şirketler tarafından birçok FGD sistemi de inşa edildi. Baca gazının çevreye salınımdan önce temizlenebilmesi için şirketler kendilerine özgü FGD teknolojilerine sahiptir. Bu teknolojiler sürekli geliştirilerek yapılan patent başvuruları ile de korunma altındadır. Babcock & Wilcox, Lenthes Bischoff GMBH, Mitsubishi Heavy Industires ve Noell-KRC Umwelttechnik GMBH şirketleri 1990'larda Kemerköy, Yatağan, Afşin ve Orhaneli enerji santralleri inşa ettikleri bilinen FGD şirketleridir. Bu santrallerin güçleri 210 MW-360 MW arasında değişmektedir.Günümüze kadar çok sayıda enerji santrallerinde gaz yıkayıcı kolon sistemleri kurulmuş olsa da, hala davranışını doğru tahmin edecek bir uygulama mevcut değildir. Bu çalışmanın zorluğu, kolon içerisindeki akışın ayrıntılı çalışılarak optimum kolon tasarımın gerçekleştirilmek istenmesidir. FGD sistemlerinin tasarım isterleri arasında, baca gazının yüksek (%90 ve üzeri) oranlarda temizlenmesi yani maksimum kükürt giderim verimi ve minimum basınç düşümü önceliklidir.Bu tezde baca gazı kulesinin nümerik modeli gerçek ölçekli bir enerji santraline uygulanmış ve kolon performansı araştırılmıştır. Yapılan sayısal analizlerin sonuçlarını karşılaştırmak için bazı tasarım faktörleri belirlenmiştir. Bunlar (1) sprey seviyesi eklenmesi, (2) Babcock & Wilcox tarafından patentlenen tepsi gibi delikli levhanın tanımlanması ve (3) kolon duvarından dolayı baca gazı veya bulamaç sıvısı sızıntılarını azaltmak için bir halka yerleştirilmesidir. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) tekniklerinin gelişmesi ve hesaplama gücünün artması ile FGD sistem tasarımlarında da sayısal analizler günümüzde çokça kullanılan yöntemlerden biri haline gelmiştir. HAD analizi sonucunda, detaylı akış alanı tahmini değerlerine ulaşılır ve bu akış dinamiklerinin daha iyi anlaşılmasını sağlar. Tezin giriş bölümünde verilen literatür araştırmasında, sayısal modelleme ile yapılan çalışmaların yanı sıra laboratuvar ölçekli test sistemleri ve matematiksel modelleme çalışmalara yer verilmiştir. Literatürdeki FGD sistemleri üzerine yapılan çalışmalar araştırılarak tez içeriğinde referans olarak verilmiştir.Fiziksel sistem ve basitleştirmeler bölümünde FGD sisteminin modellenme aşamaları başlıklar halinde verilmiştir. Özetleyecek olursak, modelleme adımları sırasıyla şu şekildedir: geometri oluşturmak, akış hacmi çıkartmak, akış hacminin sonlu elemanlara bölmek yani çözüm ağı oluşturmak ve model tanımlamaya hazır hale gelen geometride gerçekleştirilmek istenen analize uygun basitleştirmelerde bulunup sınır şartları da verilerek çözdürülür. Baca gazı sisteminin modelleme adımları da bu verilen sıralama da olmuştur.FGD sistemi, kolon geometrisi ve sprey seviyelerindeki borulamalar öncelikli olarak Siemens NX CAD program yardımıyla oluşturulmuştur. Sprey seviyeleri geometrideki basitleştirme nedeniyle yüzey olarak modellenmiştir. Hazırlanan geometri Ansys-SpaceClaim programına aktarılarak gerekli tanımlamalar yapılmış ve Ansys-Meshing programına gönderilmiştir. Ansys-Meshing de uygun olacak büyüklükte çözüm ağı oluşturulmuş ve sınır şartlarının tanımlamasında gerekli yüzeyler isimlendirilmiştir. Modelleme ve çözücü olarak kullanılan Fluent programında açılan çözüm ağında gerekli tanımlamalar yapılarak çözüm sonrasında sonuçlar alınmıştır.Literatürden edinilen bilgiler ile baca gazı kükürt arıtma sistemi kabul edilen bazı basitleştirmeler ile enerji santrali ölçeğinde modellenmiştir. Bu basitleştirmeler, püskürtülen damlacıkların yoğunluğunun baca gazına oranla çok daha büyük olduğu ve bunun sonucu olarak da diğer kuvvetlerin sürüklenme kuvvetinin yanında ihmal edebileceğidir. Damlacıklara etki eden sürüklenme kuvveti hesabında ise damlacıkların küresel formda olduğu kabul edilen yaklaşım kullanılmıştır. Aynı zamanda baca gazı ile iki-yönlü etkileşim gerçekleştirdiği diğer bir kabul olmuştur. İki fazlı akış için Euler ve Lagrange yaklaşımları matematik modellemede genellikle kullanılır. Lagrange yaklaşımın avantajı, damlacıkların özellikleri (çap, yoğunluk, vs.) birbirlerinden farklı olabilmesidir. Bu çalışmada da Euler-Lagrange yaklaşımı bu sebeplerden ötürü kullanılmıştır. Gaz fazı Euler olarak tanımlanırken, püskürtülen damlacıklar Lagrange yörünge yaklaşımı ile ayrık faz olarak modellenmiştir.Ayrık fazın modellenmesi ayrıntı olarak gerçekleşmektedir. Özellikle çalışılan model ölçeğinde çok fazla püskürteç olduğundan, toplamda 460 adet, her bir püskürtecin koordinat bilgisi ve özellikleri ile birlikte tanımlanması gerekmektedir. Bu işlem için MATLAB programı ve püskürteç özelliklerinin tanımlandığı Excel dosyası kullanılmıştır.Damlacıkların kolon duvarına çarptıktan sonra nasıl davranacağı modele eklenen UDF kodu ile yönetilmiştir. Duvara çarpan her bir damlacık geliş açısı ve hızı kullanılarak yansıma açısı ve hızı hesaplanır. Bu hesaplamalarda referans olarak Weiss ve Wieltsch'ın nümerik ve test çalışmaları alınmıştır. Öncelikle püskürteçler çalıştırılmadan analiz edilerek gaz fazı için yakınsama sağlanmıştır ve bunun sonuçları karşılaştırma yapılabilmesi için verilmiştir. Gaz fazı yakınsadıktan sonra ayrık faz zamana bağlı parçacık takibi ile birlikte aktif edilmiştir.Soğutucu bölge ve ikinci bölgedeki püskürteçler tüm analizlerde çalıştırılmışken, genellikle santrallerde yedek olarak bırakılan birinci seviyedeki püskürteçler tek bir analiz şartında çalıştırılmıştır.Tepsi modellenirken gözenekli-atlama sınır şartı tepsinin konumlandırıldığı yüzeyde uygulanmıştır. Gözenekli atlama için gerekli katsayılar literatürde %50 açıklık oranındaki delikli-plaka değerleri ve plaka üzerinde tahmini olarak birikecek bulamaç yüksekliği değerleri girilmiştir. Geometriye yüzük eklenmesi ise model geometrisinde yüzük yüzeyi oluşturularak, bu yüzeye duvar sınır şartı tanımlanmıştır.Son iki bölüm olan sonuçlar ve yorumlar bölümde ise, her bir analiz sonucu hız ve basınç figürleri ile birlikte verilmiş ve karşılaştırmalı grafikler ile tasarım faktörlerinin etkileri özetlenmiştir. Bu bölümlerden tepsideki basınç düşümünün baca fazı akışını düzeltici etkisi olduğu görülmektedir. Ancak bu basınç düşümü işletme maliyetlerini artıracaktır. Baca gazı kükürt arıtma sistemlerinin kükürt arıtma veriminin düşmesi özellikle kolon duvarlarında savuşan gaz neden olmaktadır. Duvar bölgelerine yakın püskürteç konulamaması ve püskürülen bulamacın duvardan akıp gitmesi verimsizliğe sebep olmaktadır. Bu sebeple önerilen tasarıma yüzük eklenmesi analiz sonuçlarından da açıkça duvara yakın bölgelerde hızlanarak kükürt giderimi olmadan kaçan baca gazının kolon merkezine doğru toparlayarak bulamaç ile buluşmasına yardımcı olur.Ek kısmında baca gazı sistemlerinde modelleme öncesinde yapılabilecek basit uygulamalar verilmiş ve kullanılan UDF kodu ile sonuç olarak alınan fakat raporda grafik olarak verilen değerler paylaşılmıştır. Ayrıca bu çalışmada konik püskürteç tanımlandığı için, ayrıntılı olarak konik püskürteç için tanımlanması gereken parametreler açıklamaları ile birlikte Ansys Fluent Kullanıcı dokümanından özetle aktarılmıştır. Flue gas desulphurization system is designed by many companies for power plant system due to the environmental regulations. As coal is the main energy source, many power plants were built in coal-reserve areas of Turkey. Besides the plants were built, many FGD systems were also built by different global companies. Every company has its own FGD technology to clean the gas before releasing from the flue. These technologies are developed and protected by patent applications. The Babcock & Wilcox Company, Lenthes Bischoff GMBH, Mitsubishi Heavy industries and Noell-KRC Umwelttechnik GMBH are well-known FGD companies which they were built Kemerköy, Yatağan, Afşin and Orhaneli power plants in the 1990s. These plants powers are various from 210 MW to 360 MW. FGD systems have been installed in as many power plants as ever, but there is still no method to accurately predict their behavior. It is desired to study the flow in the column in detail to achieve optimum column design, which is its difficulty. Among of FGD systems design requirements, cleaning of flue gas at high (90% and above) rates, maximum desulphurization and minimum pressure drop, is a priority. In this thesis numerical model of the flue gas tower is applied to a real scale power plant and investigate the performance of the column. Some design factors are selected to compare the results. These are (1) adding spray level, (2) integrate perforated plate, like Babcock & Wilcox patented tray and (3) putting a ring to reduce leaks either flue gas or slurry liquid due to the column wall. Numerical analyses in FGD system designs have become one of the most widely used methods today due to the development of computational fluid dynamics (CFD) techniques and increase in computational power. As a result of the CFD analysis, detailed flow field estimates are obtained, and this provides a better understanding of dynamics. In the literature review given in the introduction part of the thesis, besides numerical modeling studies, laboratory scale testing and mathematical modeling studies were included. Studies on FGD systems in the literature have been investigated and referenced in the thesis content.In the section on physical systems and simplifications, the modeling steps of the FGD system are given in titles. To summarize, the modeling steps are respectively solved by creating the geometry, extracting the flow volume, dividing the flow volume into the finite elements, meshing, and the geometry that is ready for model definition. Modeling steps of the flue gas system have also been given in this order.The FGD system, the column geometry, and piping in the spray levels were primarily created with Siemens NX cad program. Spray levels are modeled as surface due to simplification of the geometry. The prepared geometry was transferred to Ansys-SpaceClaim program and necessary definitions were made and sent to Ansys-Meshing program. Appropriate size meshing was created and necessary surfaces in the boundary definitions were also named. In Fluent program, it was solved by making appropriate definitions and results were obtained. The information obtained from literature and with some simplifications, the flue gas desulphurization system was modeled on the power plant scale. These simplifications are that the density of the sprayed droplets is much greater than the flue gas, and as a result, the forces can be neglected other than drag force. In the calculation of the drag force acting on the droplets, it is assumed that the droplets are in spherical form. At the same time, it was considered two-way interaction between the gas and liquid phases in the flue-gas column.Eulerian and Lagrangian approaches generally used for mathematical modeling of two-phase flow. The advantage of Lagrangian approach is that droplet physical properties (diameter, density, etc.) can differ in. In this thesis, Euler-Lagrange approach is used for these reasons. When the gas phase is defined as Euler, the droplets are modeled as a discrete phase by Lagrange trajectory approach.The modeling of the discrete phase is defined detailly. Especially since working FGD model has too many nozzles, a total of 460 nozzles, must be defined together with the position informations and the properties of each injection. For this process, MATLAB program and Excel file that define the injector properties are used.How the droplets will behave after hitting the column wall is governed by the added UDF code. Reflection angles and velocities are calculated by using the velocity and incidence angle of each droplet that hit the column wall. Numerical and test results of Weiss and Wieltsch were taken as reference in these calculations.First, FGD column was analysed without the injectors to provide convergence for the gas phase, and the results are given as a comparison. After the gas phase converges, the discrete phase is activated with unsteady particle tracking.While the quencher level and the second spray level are operated in all analyses, the first spray level, which usually reserves in power plants, is operated in a single analysis condition.When the tray is modeled, the porous-jump boundary condition is applied on the surface where the tray is located. The coefficients necessary for porous-jumping were found out from the literature with perforated-plate values of 50% porosity and estimated the height of slurry flow values to be accumulated on the plate were entered.If FGD column has a ring geometry, a ring surface was created in the model geometry, and wall boundary condition was defined for this surface. The results and interpretations are given in the last two sections, with each analysis of the resulting velocity and pressure figures, and the effects of comparative graphics and design factors are summarized. From these sections, it is seen that the pressure drop in the flow of the flue gas is observed as a corrective effect of flue gas distributions. However, this pressure drop will increase operating costs. Efficiency reduction of the desulfurization systems is mainly caused by colliding gases in the column walls. The inability to place a nozzle near the wall areas and the flow of the sprayed slurry from the wall cause inefficiency. Therefore, the design proposed by the ring addition analysis clearly shows that the flue gas escaping without desulfurization accelerates to the center of the column and helps to meet with the slurry. In the appendix, simple implementations that can be done before the modeling of the flue gas systems are given. UDF code for controlling droplet-wall interaction and some numerical results which were used to create figures were given in the appendix, too. In addition, since the study requires for defining a hollow-cone nozzle, the parameters to be defined for the hollow-cone nozzle, have been summarized from the Ansys Fluent User's Guide document along with explanations. 85

Gelişen teknoloji ile birlikte yüksek performans sağlayan termal sistemlere ihtiyaçartmaktadır. Bu yüzden ısı değiştiriciye ihtiyaç duyulan birçok alanda yüzey alanıdiğerlerine göre çok fazla olan kompakt ısı değiştiriciler kullanılıyor. Yüzey alanınınartması ısı transfer alanının artmasını, bu da ısı transfer katsayısını arttırıp daha verimlibir ısı değiştirici performansı ortaya çıkmasını sağlıyor.Kompakt ısı değiştiricilerde ısı transfer performansını arttırmak için genelde iki yoldanbiri tercih ediliyor. Birincisi akışkanın temas ettiği yüzey alanine kanatçık kullanarakarttırmak, diğeri ise girdap jeneratörü kullanarak katı yüzey ile akışkan arasındaki ısıtransfer katsayısını arttırmak. Bu çalışmadaki probleme yaklaşım, ikincil akışınyoğunluğunu arttırarak, kanal içinde ısı transfer katsayısını arttırmaktır.CFU-CFD gibi yeni kullanılmaya başlanıp termal performansının çok iyi olduğugözlemlendiği girdap jeneratörlerinin analizi bu çalışmada yapılmıştır. Çift sayısı vehücum açısı şekillenmesi ile toplamda 32 farklı durum ortaya çıkmıştır. 2li ve 3lüçiftlerin yanında 15°, 30°, 45° ve 60° hücum açıları ile beraber CFU ve CFD girdapüreticilerinin ısı transfer ve basınç kayıpları gözlemlenmiştir.Girdap jeneratörü olarakda dikdörtgen yapı seçilmiştir.Dikdörtgen kanal içinde sadece açılar değişmek koşuluyla 8 farklı durum oratayaçıkmıştır. Anlatımı kolaylaştırmak için her bir duruma numara verilerek ayrı ayrıincelenmesi yapılmıştır. İnceleme kriterleri ısı artım faktörü, basınç düşüşü vevortisitedeki değişimdir. Hesaplanan değerler literatürdeki örnekleriylekarşılaştırılmış ve doğrulanmıştır.1. durumda 2 CFD girdap üretici çiftinden oluşan kanal incelenmiştir. Yapılan analizsonuçlarına göre ısı transfer katsayısındaki artışın en fazla olduğu açı %42.29 artışoranı ile 30°, en optimum Reynolds sayısının da 1552 olduğu görülmüştür. Bukonfigürasyonda ortalama ısı transfer katsayısı artışı ise 33.91% olarakgözlenlenmiştir. Öte yandan basınç düşüşünün 15° lik girdap üreticili durumda enfazla olduğu gözlemlenmiştir. Maximum basınç kaybı oranı %115.24 ile Reynolds'un1552 olduğu durumda meydana gelmiştir.2.durumda CFD-CFU konfigürasyonu ele alınmıştır.1. durumdaki gibi maximum ısıtransfer katsayısındaki artış Reynolds'un 1552 olduğu durumda görülmüştür.Fakat ısıtransfer artışındaki oranın en fazla olduğu açı 15° olarak hesaplanmıştır. Bu durumdakiortalama ısı transfer artış oranı %30.08 olarak gözlemlenmiştir. Basınçtaki düşüşün enfazla olduğu açı 15°, Reynolds da 1552 iken bulunmuştur.Basınç kaybındaki oran bazduruma göre %123.79 artmıştır.3.durumda CFU-CFD konfigürasyonu test edilmiştir. Isı transfer katsayısındaki enfazla artış bu sefer Reynolds'un 776, girdap üreticisinin 15°lik açıda olduğu durumdameydana gelmiştir. Bu durumdaki artış %51.91dir. Ortalama ısı transfer katsayısı artışıise %32.37 olarak hesaplanmıştır. Basınç kaybındaki oranın ise %118.78mertebelerine çıktığı görülmüştür. Vortisite değerinin baz duruma göre 2.6 kat arttığıgörülmüştür. 4.durumda 2 CFU girdap üretici çiftinden oluşan konfigürasyonun değerlendirilmesiyapılmıştır. Ortalama ısı transfer katsayısındaki artışın %34.95 olduğu görülmüştür.Aynı durumda basınç kaybındaki oranın ise %133.83'e kadar çıktığı görülmüştür.Vortisite değerindeki artışın en az olduğu konfigürasyon 4. durum olarakhesaplanmıştır. Vortisitedeki artış baz duruma göre 2.16 kat daha fazladır.5.durumda 3 çift CFD girdap üreticisinden meydana gelen durum değerlendirilmiştir.Isı transfer katsayısındaki en fazla artışın %92.23 ile 30°lik konfigürasyonda veReynolds'un 1552 olduğu durumda gözlemlenmiştir. Ortalama ısı transfer katsayısının%50.62ye çıktığı görülmüştür. Basınç kaybındaki oran da 2 çiftli duruma göre dahadaha fazla artmıştır. Bu beklenen bir durumdur çünkü; akışın engellendiği girdapüreticisi sayısı artmıştır. Maximum artış girdap üretici açısının 15°, Reynolds'un 1552olduğu durumda meydana gelmiştir. Bu durumdaki basınç kaybı değeri baz durumagöre %147.14 artmıştır. Fakat vortisite performansının en fazla olduğu konfigürasyonolarak da görülmüştür. Vortisite değeri baz duruma göre 2.72 kat artmıştır. Artışın enfazla olduğu durum 30°lik açıda ve Reynolds 1552 iken meydana gelmiştir.6. durumda CFD-CFU-CFD konfigürasyonu ele alınmıştır. Isı transfer katsayısındakiartışın en fazla olduğu durum 15°lik açıda Reynolds 1552 iken %60.24 ilegörülmüştür. Isı transfer katsayısındaki ortalama artış ise %39.30 olarakhesaplanmıştır. Maximum basınç kaybı ise %156.48 mertebesine ulaşmıştır.Beklendiği gibi 15°lik açıda kayıp en fazla olmuştur. Vortisitedeki artış 2.6 kat olarakgörülmüştür.7.durumda CFU-CFD-CFU konfigürasyonunun analizi yapılmıştır. Isı transferkatsayısındaki artışın en fazla olduğu durum 15°lik açıda Reynolds 1552 iken %67.15olarak ölçülmüştür. Ortalama artış ise %42.20 olarak hesaplanmıştır. Basınçkaybındaki artış ise %174 seviyelerine yükselmiştir. Vortisitedeki artış baz durumagöre 2.6 kat daha fazladır.8.durumda 3 çift CFU konfigürasyonu incelenmiştir. Isı transfer katsayısındakimaximum artışın %81.65 ile 30°lik konfigürasyonda oluştuğu saptanmıştır. Budurumda ısı transfer katsayısındaki ortalama artış %47.77 olarak hesaplanmıştır.Basınç kaybındaki oran ise bu durumda maximum seviyeye ulaşmıştır. Basınçkaybındaki artış baz duruma göre %200 seviyelerine kadar çıkmıştır. Vortisitedekiartış ise baz duruma göre 2.64 kat daha fazladır.Isı artım faktörü, basınç kaybı ve vortisitedeki artış tek tek ele alınarak en büyükdeğerden en küçüğe aşağıdaki gibi sıralanabilir:Tablo 1.Isı artım faktörüCase IV > Case I > Case III > Case V > Case II > Case VII > Case VI > Case VIIITablo 2.Basınç kaybıCase VIII > Case V > Case VII > Case VI > Case II > Case IV > Case I > Case III Tablo 3.VortisiteCase V > Case VIII > Case VII > Case VI > Case III > Case I > Case II > Case IV8 akış konfigürasyonu, 4 girdap üretici açısı ve 5 farklı Reynolds sayısı ölçümleri iletoplamda 160 durum Pointwise 17'de çözüm ağına kavuşup, ANSYS Fluent 16'dakoşturulmuştur. 160 koşu ile birlikte hesaplanan Nu ve f faktör değerleri için objektiffonksiyonlar belirlenmiştir. Koşu sonucu bulunan nümerik değerler ile objektiffonksiyon sonucu çıkan değerler birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Yapılan hata analizisonuçlarına göre Nu için ortalama hata oranı %9.71, f faktör içinse %10.89bulunmuştur. Hesaplamalarla ilgili ayrıntılı tablo Appendix A ve B'de verilmiştir.Analiz sonuçlarına göre girdap üreticilerinin ısı transfer katsayısında önemli bir roloynadığı görülmüştür.2li ve 3lü girdap üretici çiftler karşılaştırıldığında, beklendiğigibi 3lü çiftlerin ısı transfer oranını daha fazla arttırdığı görülmüştür. Fakat basınçdüşüşündeki artış da bu çiftlerde daha fazladır. Isı transfer katsayısındaki en fazla artışReynolds'un 1500 mertebelerinde seyrettiği durumda oluşurken, basınç kaybındakiartış da aynı Reynolds seviyesinde gerçekleştiği için bu seviyede etkili bir ısı artırımfaktörü elde edilememiştir. Isı artırım faktörünün en iyi olduğu durum ise Reynols'un4000 mertebesinde, basınç kaybının en düşük olduğu konfigürasyonlarda ortayaçıktığı görülmüştür. 4.durumda 60° lik girdap üreticili konfigürasyon ısı artım faktörüiçin en iyi tasarımken, 8.durum 15°lik girdap üreticili konfigürasyon ise en kötütasarımdır. Vortisitenin maximum olduğu Reynolds'ta ve girdap üreticili açıda ısıtransfer katsayısının da maximum olduğu görülmüştür. Buradan vortisite ile ısıtransfer katsayısı arasında doğrudan bir bağlantı olduğu sonucuna varılmıştır. The need of high performance of thermal systems in many engineering applicationshas increased. The convectional heat exchangers are generally improved by surfaceaugmentation. There are two enhancement techniques of convective heat transfer forcompact heat exchangers. One is to extend heat transfer surface area like a fin, theother is to increase heat transfer coefficient between solid surface and fluid such asusing turbulators as vortex generators. Solution to this problem in this study is toincrease the intensity of secondary flow and reduce the size of wake regions inrectangular channel so as to increase heat transfer coefficient to gain size andeffectiveness.In this study a new type of vortex generator pairs which are called common-flow-up(CFU) and common-flow-down (CFD) and their various configurations in terms ofnumber of pairs and attack angle was reported. Rectangular winglet pairs (RWP) ofvortex generator has been selected.One rectangular channel of an air to air plate-fin cross flow compact heat exchangerhas been analyzed. Before calculation process, detailed literature survey has been doneabout aviation application of heat transfer enhancement of plate-fin heat exchanger.Geometrical dimensions has been originated from F-16 heat exchanger and similarcross section area has been drawn. Solution approach to problem has been selectedfrom validated benchmark problem. Boundary conditions have been applied accordingto TAI specification of ECS model. Model was prepared and meshed in Pointwise andcomputational fluid dynamics analysis was performed in ANSYS Fluent 16.In rectangular channel, three configurations have been analyzed; CFD, CFU, and mixtype (both CFD and CFU) with the number of 2 and 3 pairs by applying four differentattack angle (15°, 30°, 45°, and 60°). The height of the vortex generator which is alsocalled blockage ratio (BR) was half of the channel height.3D computational fluid dynamics results showed that 3 pairs of CFD configuration of30° and 45° winglet angle of attack provides the best heat transfer enhancement in thechannel. At the same configuration 60° attack angle of pairs give the best thermalenhancement factor at Re = 4000. Overall results demonstrated that wings angle ofattack play an important role in determining heat transfer performance. 113