Optimal heat transfer enhancement in flow past a partially hydrophobic circular cylinder

Kafarakis, Spyridon Th.; Καφαράκης, Σπυρίδων Θ.

dc.contributor.author	Kafarakis, Spyridon Th.	en
dc.contributor.author	Καφαράκης, Σπυρίδων Θ.	el
dc.date.accessioned	2016-03-16T13:21:44Z
dc.date.available	2016-03-16T13:21:44Z
dc.date.issued	2016-03-16
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/42151
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.11323
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/gr/	*
dc.subject	Ροή γύρω από κύλινδρο	el
dc.subject	Ενίσχυση μεταφοράς θερμότητας	el
dc.subject	Υδροφοβικές επιφάνειες	el
dc.subject	Εφαρμογή υδροφοβικότητας σε τμήμα της επιφάνειας του κυλίνδρου	el
dc.subject	Βελτιστοποίηση	el
dc.subject	Flow past a cylinder	en
dc.subject	Heat transfer enhancement	en
dc.subject	Hydrophobic materials	en
dc.subject	Partial application of hydrophobicity	en
dc.subject	Optimization	en
dc.title	Optimal heat transfer enhancement in flow past a partially hydrophobic circular cylinder	en
dc.title	Βέλτιστη ενίσχυση μεταφοράς θερμότητας σε ροή γύρω από μερικώς υδροφοβικό κύλινδρο	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Heat transfer	el
heal.classification	Cylinders--Hydrodynamics	el
heal.classificationURI	http://skos.um.es/unesco6/332816
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh85035130
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-10-05
heal.abstract	Flows past bluff bodies are the subject of various studies due to their extensive applications in constructions and several other applications of engineering. Typical examples of constructions behaving as bluff bodies are skyscrapers and wind generator pylons (ashore applications), and oil risers (offshore applications). Another important engineering application is the heat exchanger. Main considerations in these application concern the reduction or even cancellation of time dependent forces (which may lead to structural failure due to fatigue), the heat transfer enhancement, as well as the minimization of construction and operation costs. A main challenge in a number of these application is thus the simultaneous reduction of forces on the body and the enhancement of heat transfer. The scope of the present thesis is the computational study of forced convection heat transfer in flow past a hydrophobic cylinder, at constant surface temperature. Hydrophobic surfaces are applied in flow control applications, since they enable flow slip past a solid boundary; as a result, they can contribute to flow stabilization. At the same time, hydrophobic surfaces are a potential means for heat transfer enhancement. In the present study, the effects of implementing surface hydrophobicity on the cylinder are investigated, in particular the effects on flow stability and on enhancing heat transfer from the cylinder surface. Here, we consider the low Reynolds number range in which the flow remains two-dimensional, at a constant value of Prandtl number value, equal to unity. The Navier model is utilized for modeling the fluid slip at the solid boundary. In a first step, slip conditions are applied on the entire cylinder surface. The results demonstrate an increasing trend in both flow stabilization and heat transfer enhancement, at increasing non-dimensional slip length. However, it is noticed that, in the region around the rear stagnation point, application of hydrophobicity does support flow stabilization, and decreases the local heat transfer rate. Thus, application on only a part of the cylinder is considered, (partial slip), with the aim of supporting flow stabilization and heat transfer enhancement, at a reduced control effort. To this end, a multi-objective optimization problem is formulated and solved aiming at simultaneously: (a) enhancing heat transfer, (b) stabilizing the flow, and (c) reducing the control effort associated with implementing surface hydrophobicity. The optimization results demonstrate that an optimal implementation of partial slip can simultaneously lead to flow stabilization and a substantial heat transfer enhancement, by utilizing significantly lower levels of control effort, in comparison to full slip.	en
heal.abstract	Οι ροές γύρω από μη αεροδυναμικά σώματα αποτελούν αντικείμενο μελέτης εξαιτίας της ευρύτητας των εφαρμογών που έχουν στον κατασκευαστικό και μηχανολογικό τομέα. Τυπικά παραδείγματα κατασκευών που συμπεριφέρονται ως μη αεροδυναμικά σώματα στην ξηρά είναι τα ψηλά κτήρια και οι πυλώνες ανεμογεννητριών, στη θάλασσα οι αγωγοί μεταφοράς υδρογονανθράκων, και σε μηχανολογικές κατασκευές οι εναλλάκτες θερμότητας. Στόχος σε αυτές τις κατασκευές είναι τόσο η αποφυγή των εναλλασσόμενων φορτίσεων όσο και η βελτίωση της μεταφοράς θερμότητας. Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η υπολογιστική εξέταση των χαρακτηριστικών της εξαναγκασμένης μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή σε ροή γύρω από υδροφοβικό κύλινδρο υπό σταθερή θερμοκρασία. Οι υδροφοβικές επιφάνειες βρίσκουν εφαρμογή σε προβλήματα ροϊκού ελέγχου, καθώς επιτρέπουν την ολίσθηση της ροής κατά μήκος ενός στερεού ορίου. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούν να οδηγήσουν σε σταθεροποίηση της ροής. Ταυτόχρονα, αποτελούν μια υποψήφια μέθοδο για την ενίσχυση της μεταφοράς θερμότητας. Στην παρούσα εργασία εξετάζονται τόσο οι σταθεροποιητικές και αποσταθεροποιητικές επιδράσεις της υδροφοβικότητας, όσο και η συμβολή της στην αύξηση της μεταφοράς θερμότητας, για χαμηλές τιμές αριθμού Reynolds και για τιμή του αριθμού Prandtl ίση με τη μονάδα. Η υδροφοβικότητα μοντελοποιείται με τη χρήση του μοντέλου Navier. Αρχικά, όταν η υδροφοβικότητα εφαρμόζεται σε όλη την επιφάνεια του κυλίνδρου, η αύξηση του μήκους ολίσθησης του υδροφοβικού υλικού οδηγεί σε σταθεροποίηση της ροής και σε αύξηση της μεταφοράς θερμότητας από τον κύλινδρο στο ρευστό. Εντούτοις, γίνεται φανερό ότι στην περιοχή του πίσω σημείου ανακοπής η εφαρμογή υδροφοβικότητας συντελεί τόσο στην αποσταθεροποίηση της ροής όσο και στη μείωση της μεταφοράς θερμότητας. Για αυτόν τον λόγο εξετάζεται η εφαρμογή υδροφοβικότητας σε τμήμα της επιφάνειας του κυλίνδρου, γεγονός το οποίο συντελεί και στη μείωση του σχετικού κατασκευαστικού κόστους. Οι παραπάνω στόχοι οδηγούν στη διαμόρφωση και επίλυση ενός πολύ-κριτηριακού προβλήματος βελτιστοποίησης με στόχους (α) την ενίσχυση της μεταφοράς θερμότητας, (β) την αναίρεση της αστάθειας της ροής, και (γ) τη μείωση του κόστους κατασκευής και της έκτασης της υδροφοβικής επιφάνειας. Τα αποτελέσματα της βελτιστοποίησης καταδεικνύουν ότι η κατάλληλη εφαρμογή υδροφοβικότητας σε τμήμα της επιφάνειας του κυλίνδρου μπορεί να οδηγήσει τόσο σε σημαντική ενίσχυση της μεταφοράς θερμότητας, όσο και σε σταθεροποίηση της ροής, χρησιμοποιώντας σημαντικά χαμηλότερα επίπεδα δράσης ελέγχου.	el
heal.advisorName	Καϊκτσής, Λάμπρος	el
heal.committeeMemberName	Καϊκτσής, Λάμπρος	el
heal.committeeMemberName	Τριανταφύλλου, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Παπαδόπουλος, Χρήστος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	62 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true