Riassunto analitico
Questa tesi riguarda lo studio numerico di scambio termico per convezione forzata e turbolenta all'interno di un canale con una parete piana e una ondulata. Lo studio è stato condotto per tre valori del numero di Prandtl, Pr = 0.025, Pr = 0.2, e Pr = 0.71. L'interesse verso questo tipo di studio è motivato dal grande riscontro che esso trova nell'ambito delle applicazioni ingegneristiche e per l'interesse nella ricerca di base. I flussi su superfici ondulate sono caratterizzati da alcuni fenomeni, come quelli di separazione e riattacco delle corrente fluida, che favoriscono lo scambio termico tra fluido e parete. I fluidi a basso numero di Prandtl, grazie alla loro elevata capacità termica, sono particolarmente indicati come fluidi di lavoro nei dispositivi di scambio termico, ma non sono ancora stati messi a punto modelli fisici sufficientemente accurati per lo studio dello scambio termico convettivo in questo tipo di fluidi. Per lo sviluppo di un modello fisico accurato è necessario conoscere con precisione sia il campo di velocità che quello di temperatura, e nel caso dei metalli liquidi questi dati non posso essere ottenuti per via sperimentale a causa della loro opacità e della difficoltà di manipolazione. Le simulazioni numeriche costituiscono dunque un fondamentale strumento di indagine. Le simulazioni numeriche dirette (DNS) costituiscono il metodo numerico più rigoroso, ma anche il più oneroso da un punto di vista computazionale. Invece le simulazioni tipo Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) sono meno onerose, ma forniscono anche predizioni meno accurate. Per questo lavoro sono state effettuate sia delle simulazioni numeriche dirette, con l'utilizzo di un codice “home-made”, sia delle simulazioni tipo RANS con l'utilizzo del codice CFD OpenFOAM 2.0.1. Le indagini sono state condotte per due valori del numero di Reynolds, che riferiti alla velocità media ed al diametro idraulico sono Re = 13 840 and Re = 19 000. Le pareti del canale sono considerate a temperatura uniforme. Studi preliminari sono stati condotti per il caso fondamentale del canale piano, prima di indagare il caso piu` complicato del canale con parete ondulata. La validazione dei risultati ottenuti per il canale con parete ondulata si è basata sul confronto, per il campo di velocità, con i dati sperimentali e con altri dati di DNS disponibili in letteratura per Re = 13 840. Per entrambi i valori del numero di Reynolds, Re = 13840 and Re = 19000, si è osservata una zona di flusso separato nel campo medio di velocità, che si estende dalla parte discendente dell'onda fino alla valle. I fenomeni di separazione e riattacco del flusso influenzano notevolmente lo scambio termico. Mentre nella regione di flusso separato il numero di Nusselt locale risulta minimo, nella parte ascendente dell'onda, dove avviene il riattacco della corrente, si ottengono valori più elevati. Ancora una caratteristica di questo tipo di flusso è il cambio di segno nei profili degli sforzi di Reynolds e dei flussi termici turbolenti nella parte ascendente dell'onda, in prossimità della parete. Nei flussi a basso numero di Prandtl i meccanismi turbolenti di trasporto del calore risultano di minore intensità. Nel caso di Pr = 0.025 la forma dei profili di temperatura è tipicamente laminare e alcune delle caratteristiche della convezione turbolenta in canali non sono più distinguibili. Sulla base dei risultati ottenuti dalle simulazioni numeriche dirette, questo lavoro fornisce una descrizione dei fenomeni di convezione turbolenta in flussi con regioni di separazione e riattacco e con anche una valutazione sugli effetti del numero di Prandtl, che varia dai valori tipici dei metalli liquidi al valore di ordine unitario. Viene inclusa inoltre un'analisi di applicabilità di alcuni tra i più utilizzati modelli di scambio termico in regime turbolento, per il caso di flussi con regioni di separazione e per valori del numero di Prandtl non unitario.
|
Abstract
The thesis deals with numerical studies of turbulent forced convection in a channel with one wavy wall and one flat wall. Two low-Prandtl numbers, Pr=0.025 and 0.2, and order one Prandtl number, Pr=0.71, have been investigated. This research topic is motivated by the large variety of engineering applications.
Wavy wall flows are characterized by some peculiar features, such as the flow separation and reattachment, which represent a passive mean for heat transfer enhancement. Low-Prandtl number fluids, because of their high thermal capacity and boiling point, might be particularly suited in heat transfer devices, but reliable physical models of convective heat transfer in liquid metals are still lacking. A detailed knowledge of velocity and thermal fields in separated flow conditions is needed for model development and it is almost impossible to obtain through experiments, because of the opacity of these fluids and the care required in handling them. Numerical simulations represent the best approach for investigating heat and mass transfer in low-Prandtl number flows.
In the field of numerical simulations the direct numerical simulations (DNSs) and Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) methods are known respectively as the most rigorous and the most practical numerical method for investigating the flow dynamics and the heat transfer mechanisms in turbulent flows. In this work DNSs are performed using a home-made code and the RANS simulations are done using the OpenFOAM 2.0.1 package. The Reynolds number Re=13 840 and Re=19 000, based on the bulk velocity and the hydraulic diameter are investigated, and three different values of the molecular Prandtl number. The channel walls are considered at a uniform temperature. Preliminary studies have been conducted on the fundamental case of flat channel flow, before investigating the more complex configuration of the wavy channel flow. The validity of DNS prediction for the wavy channel flow is assessed by comparison of the velocity field results against the experimental data and previous simulations available in literature for Re=13 840 and Pr=0.71.
Results by DNSs are considered as reference in the present discussion. For both Re=13 840 and Re=19 000 a region of separated mean flow is observed in the troughs of the waves. A separated shear layer is detected above the mean recirculation bubble, where also peaks of turbulent kinetic energy and Reynolds stress are found. Flow separation and reattachment strongly influence the heat transfer. Minimum heat transfer rate occurs within the separated flow region, while a maximum Nusselt number is reached in the up-slope portion of the wave. A change of sign in the profiles of Reynolds stress and turbulent heat fluxes is found in the vicinity of the wall, at the up-slope portion of the wave. For low Prandtl number values turbulent heat transport mechanisms are of less intensity. In the case of Pr=0.025 the temperature field shows typical laminar profiles, and such peculiar features of the turbulent heat transfer in wavy channel flows can not be distinguished in this case.
In this work, by means of DNSs, a description is provided of phenomena involved in turbulent convection including separating and reattaching flows, and also considering the molecular Prandtl number effects in the range of low to unity values. It also includes a study of reliability of some largely used eddy diffusivity models in relation to the separated flow conditions and the not-unity Prandtl number values investigated.
|