Okulda Isı Transferi Dersi Almaya Hazırlanan Mühendis Adayları İçin Tavsiyeler
ısı transferi nedir?
makina mühendisliğinin, termodinamik ve akışkanlar mekaniği ile birlikte termal kısmının tamamlayıcısı olan ders ve aynı zamanda da bilim dalıdır.
standart makina mühendisliği eğitimindeki rolü genellikle iletim, taşınım ve radyasyon üzerinden basitleştirilmiş halini anlatmak iken, lisans üstü seviyelerde konuları çok dallanıp budaklanabilir.
knudsen sayısının oldukça küçülerek, continuum varsayımının sekteye uğradığı nano ölçeklerde genellikle navier stokes ve fourier yasası yerine molecular-wise çözümlere odaklanılır.
hipersonik akış çalışmak isteyen makina mühendislerinin bu dersi bir kere de kimya mühendisleriyle birlikte alması faydalı olabilir. benim okuduğum dönemde bu ders, makinacılara heat transfer adı altında verilirken, kimya mühendislerine heat and mass transfer olarak verildiğinden dolayı doktora seviyesinde mass transfer kısmının eksikliğini hissediyorum.
borudan su geçirerek nusselt sayısı hesaplayan mühendislerden olmak istemiyorsanız, size tavsiyem aerotermodinamik, gaz dinamiği, mass transfer tarzı dersleri alarak eksiklerinizi kapatmanız olacaktır.
bütün bunlar bir yana, ders aslında lisans seviyesindeki haliyle oldukça basittir
önce fourier kanunu ve katı içindeki iletimsel ısı transferini öğrenirsiniz. daha sonra ısı denklemini, tek ve çok boyutta analitik olarak çözerek fourier serisi açılımıyla karşılaşırsınız. daha sonra bu denklemi finite difference ve finite volume ile nasıl çözeceğinizi öğrenirsiniz.
taşınım kısmında, iç ve dış akış olmak üzere ders ikiye ayrılır. iç akışta boru için iki farklı boundary condition uygularsınız. ilki sabit ısı akısı altında (von neumann tipi sınır koşul) boru içindeki nusselt sayısı hesabıdır ki analitik çözümü belli varsayımlar altında (laminer akış gibi) 48/11 yaklaşık 4.364 çıkar. ikincisi, sabit sıcaklık varsayımı (dirichlet tipi sınır şartı) altında numerik olarak çözerek sanırım 3.66 çıkartırsınız.
tabii bunlar laminer akış için geçerli olan çözümlerdir. türbülanslı akışı sittin sene çözemeyeceğiniz için sieder-tate, dittus-boelter ve gnielinski gibi nusselt sayısı hesabı yapabileceğiniz yöntemlerle tanışırsınız. tasarlayacağınız sisteme göre değişmekle birlikte sieder-tate ısı eşanjörü tasarımında daha yüksek güvenlik faktörlü bir model sunar. zira önerdiği nusselt sayısı değeri daha düşük olduğu için ısı eşanjörü etkinlilik hesaplarında daha çok kullanılır.
tabii yine de, hepsinin kendi içinde belirlenmiş reynolds ve prandtl sayısı aralıkları vardır. burada hesaba katılması zor olan nokta, nusselt sayısının reynolds ve prandtl sayısı ile beraber geometrinin de bir fonksiyonu olmasıdır. zaten bu yüzden farklı farklı bir dünya model çıkmıştır.
radyasyon ise anlaması en zor ısı transfer mekanizmasıdır. kara cisim ışıması ve stefan boltzmann kanunu ile beraber derivasyonu da oldukça ağırdır. ayrıca ışıma küresel ölçekte olduğundan dolayı, küresel koordinat sistemi kullanılır ki bu da matematiksel çıkarımları oldukça zorlaştırır. neyse ki, her etkileşimli sistem çifti için radyasyonu hesaplayabileceğiniz bir shape factor değeri kitaplarda tanımlanmıştır ama bunun nereden geldiğini bilmek ve von karman integral momentum denklemindeki shape factor ile karıştırmamak gerekir.