The effect of T-shaped fin geometries on heat transfer rate enhancement

Abstract

In this study, we show that maximum excess temperature on a heat generating cylindrical solid domain can be minimized with numerically optimized rectangular cavities and T-shaped fins. The effects of the cavities and the fins on heat transfer rate enhancement were compared while their volume fractions in a unit volume element were fixed. Furthermore, the designs correspond to the minimum thermal resistance were uncovered for two types of flows; parallel and cross-flow. The governing equations of the heat transfer and the fluid flow were solved simultaneously in order to show the effects of flow characteristics and the design on the thermal performance. Two-dimensional solution domain was used to uncover the thermal performance in cross-flow case. Because the flow direction is perpendicular to the heat transfer surface area of the heat generating domain. However, three-dimensional domain was used in parallel flow case because the fluid flows along the outer surface of the heat generating domain and the heat transfer surface area. For the cross-flow case, the results show that T-shaped assembly of fins with longer stem and shorter tributaries corresponds to thelower peak temperature. In addition, the results also show that there is an optimal cavityshape that minimizes the peak temperature. This optimal shape becomes thinner when thenumber of the cavities increase. In parallel flow case, fins with thicker and shorter stemand longer tributaries corresponds to the minimum excess temperature. In addition, longand thin cavity shapes increase the thermal performance in parallel flow case.

Bu çalışmada ısı üretimli silindirik bir katı bölgede biriken maksimum sıcaklığın sayısal olarak optimize edilmiş dikdörtgen kaviteler ve T şekilli kanat montajı ile minimize edilebileceği gösterilmektedir. Kavite ve kanatların ısı transfer oranı arttırımındaki etkileri birim hacim içindeki oranları sabit tutularak karşılaştırılmıştır. Ayrıca parallel ve zıt akış olarak iki tip akış tipinde minimum ısıl direnc elde edilen tasarımlar bulunmuştur. Isı transferi ve akış denklemleri, akış karakteristiği ve tasarımdaki değişimlerin performans üzerindeki etkilerini göstermek için eşzamanlı olarak çözülmüştür. Zıt akış durumunda, akışın ısı üretimli bölgenin ısı tansferinin gerçekleştiği yüzey alanına dik gelmesinden dolayı çözümlemeler 2 boyutlu model üzerinde yapılırken, paralel akışlı durumda ise akışkan hareketinin ısı üretimli bölgenin dış yüzeyi ve toplam ısı transfer yüzey alanı boyunca olmasından dolayı 3 boyutlu model üzerinde yapılmıştır. Zıt akışlı durumda, daha düşük maksimum sıcaklığa sahip kanat tasarımlarının uzun saplı ve kısa dallanmalı olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Ayrıca, yapılan analizler termal performansı daha iyi olan optimum bir kavite geometrisinin olduğunu göstermektedir. Bu kavite geometrisi kavite sayısı arttıkça daha dar bir yapıya bürünmektedir. Paralel akışlı durumda ise daha kalın ve kısa saplı, uzun dallanmalı kanat tasarımları ısıl direnci düşürmekte iken kavite modellerinde bu durum daha uzun ve ince kavite tasarımları ile sağlanmaktadır.