The effects of outer turbulence and pressure gradient on heat transfer in backward facing step flow

Bu çalışmada, geri basamak akışlarında dış türbülansın ve basınç gradyeninin ısı transferi üzerine etkileri sayısal olarak araştırılmıştır. Literatürde yaygın olarak kullanılan geri basamak geometrileri ve bu geometrilerin uyarlanmış durumları kullanılmış olup, akış iki boyutlu, sıkıştırılamaz ve türbülanslı olarak göz önüne alınmıştır. Önce Standard k-ε, RNG k-ε ve Realizable k-ε türbülans modelleri yeniden birleşme uzunluğu ve ısı transferi açısından karşılaştırılmıştır. Bu amaçla ANSYS FLUENT 12.0 kullanılarak tüm karşılaştırmalarda algoritma, uzaysal ayrıklaştırma ve yakın duvar modellemesi etkileri göz önüne alınmıştır. Deneysel veriyle en uyumlu yeniden birleşme uzunluğu SIMPLE algoritması, ikinci derece upwind ayrıklaştırması (Second Order Upwind-SOU) ve standard duvar fonksiyonu (Standard Wall Function-SWF) kullanarak Realizable k-ε modeliyle elde edilmiştir. Deneysel verilerle en uyumlu ısı transferi dağılımı ise SIMPLE-C algoritması, birinci derece upwind ayrıklaştırması (First Order Upwind-FOU) ve dengesiz duvar fonksiyonu (Nonequilibrium Wall Function-NEWF) kullanarak yine Realizable k-ε modeliyle elde edilmiştir. Bu sonuçlara göre dış türbülansın ve basınç gardyeninin etkileri SIMPLE-C algoritması, birinci derece ayrıklaştırması ve dengesiz duvar fonksiyonuyla Realizable k-ε türbülans modeli kullanılarak araştırılmıştır. Dış türbülans etkilerinin incelenmesinde ayrıca Standard k-ω ve SST k-ω modelleri de SIMPLE-C algoritması ve birinci derece upwind ayrıklaştırmasıyla denenmiştir. Basınç gradyeni etkisi olmadan giriş türbülans şiddeti arttıkça yeniden birleşme uzunluğu yavaşça azalmakta ve yerel Stanton (St) sayısı dağılımı da yavaşça artmaktadır. Türbülans şiddeti etkisi olmadan ters basınç gradyeni arttıça yeniden birleşme uzunluğu artmakta ve yerel St sayısı da yavaşça azalmaktadır. Son olarak genişleme oranının yerel St sayısı dağılımı üzerine etkileri de araştırılmıştırIn this study, the effects of outer turbulence and pressure gradient on heat transfer in backward facing step (BFS) flows are investigated numerically. BFS geometries that are commonly used in literature and their adopted forms are used and flow is considered as two dimensional, incompressible and turbulent. Firstly, Standard, RNG and Realizable k-ε turbulence models are compared by considering their prediction capability of reattachment length and heat transfer distribution. For this purpose, by using ANSYS FLUENT 12.0, effects of algorithm, spatial discretization and near wall modelling approaches are also considered in all comparisons. The best predicted reattachment length is obtained by using Realizable k-ε model with SIMPLE algorithm, Second Order Upwind (SOU) spatial discretization and Standard Wall Function (SWF). The best predicted heat transfer distribution is obtained by using again Realizable k-ε model with SIMPLE-C algorithm, First Order Upwind (FOU) spatial discretization and Non-equilibrium wall function (NEWF). According to these results, the effects of outer turbulence and pressure gradient are investigated by using Realizable k-ε model with SIMPLE-C algorithm, FOU spatial discretization and NEWF. In addition, Standard k-ω and SST k-ω models with SIMPLE-C algorithm and FOU spatial discretization are also tested in investigation of the effects of outer turbulence. Without pressure gradient effect, reattachment length slightly decreases and local Stanton (St) number distribution slightly increases with increasing inlet turbulence intensity. Without outer turbulence effect, reattachment length increases and local St number distribution slightly decreases with increasing adverse pressure gradient. Finally, effects of expansion ratio on the local St number distribution are also investigated