Ενίσχυση της μεταφοράς θερμότητας από τοιχώματα με χρήση δεσμών συνεχούς έγχυσης ρευστού - Υπολογιστική ανάλυση και παραμετρικές διερευνήσεις

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρώνεται στη μέθοδο δεσμών συνεχούς έγχυσης ρευστού για την ενίσχυση της μεταφοράς θερμότητας από τα τοιχώματα σε εσωτερικές ροές, κάνοντας χρήση μεθόδων υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (ΥΡΔ). Αρχικά, στην εργασία παρουσιάζεται μια διερεύνηση των υφιστάμενων τεχνικών για την βελτίωση της μετάδοσης θερμότητας με χρήση δεσμών ρευστού (συνεχούς έγχυσης, συνεχούς αναρρόφησης και σύνθετων), οι οποίες επικεντρώνονται κυρίως στην εύρεση των θερμικών χαρακτηριστικών των δεσμών. Σκοπός των δεσμών συνεχούς έγχυσης ρευστού είναι η αύξηση της ανάμιξης της ροής κοντά στα τοιχώματα, με άμεσο επακόλουθο την βελτίωση της μετάδοσης θερμότητας, λόγω της έντονης ανάμιξης μεταξύ του κυρίου ρεύματος και της δέσμης. Η διαδικασία που ακολουθείται περιλαμβάνει την προσθήκη ενός όρου πηγής στις εξισώσεις ροής και θερμότητας για τη μοντελοποίηση της δέσμης έτσι ώστε η οπή μέσω της οποίας εισέρχεται η δέσμη να μην βρίσκεται στο τοίχωμα αλλά μέσα στον αγωγό. Η μέθοδος προγραμματίζεται στο πακέτο ΥΡΔ ανοικτού κώδικα OpenFOAM® και εφαρμόζεται σε δύο αγωγούς: Έναν απλό κυλινδρικό αγωγό ενός βιομηχανικού εναλλάκτη θερμότητας κυρίως για την επαλήθευση της ιδέας και ένα πιο σύνθετο αγωγό ώστε να παρατηρηθεί η συμπεριφορά των δεσμών σε έναν αγωγό όπου η τύρβη έχει μεγαλύτερη ένταση. Πραγματοποιείται παραμετρική ανάλυση για τη διερεύνηση της επίδρασης των δεσμών με παραμέτρους τη γωνία πρόσκρουσης της δέσμης στο τοίχωμα, την παροχή έγχυσης, την ταχύτητα της δέσμης αλλά και την κατεύθυνση της δέσμης. Η επίδραση των δεσμών στην μετάδοση θερμότητας αξιολογείται με βάση τη διαφορά θερμοκρασιών μεταξύ της εισόδου και της εξόδου του αγωγού. Τα αποτελέσματα της εργασίας ήταν ενθαρρυντικά καθώς παρατηρήθηκε βελτίωση της μεταφοράς θερμότητας και στις δύο περιπτώσεις, δείχνοντας ότι η μέθοδος απαιτεί περαιτέρω διερεύνηση.

This diploma thesis investigates the performance of continuous blowing jets, as a means to enhance heat transfer in internal flows, using Computational Fluid Dynamics. It begins with a presentation of the existing techniques that are used for heat transfer enhancement utilizing blowing, suction and synthetic jets, and focuses mostly on finding the thermal characteristics of the jets. Blowing jets are used in order to increase the mixing of the flow near the wall of a duct, improving the heat transfer process as a consequence, because of the intense mixing between the primary flow and jets. From the CFD point of view, a source term was added in the flow and heat transfer equations modelling the jet, so that the orifice, through which the jet is entering the primary flow, could be located inside the duct, not along its solid walls. The method is programmed in the open source CFD package OpenFOAM® and it is applied in two cases: a simple cylindrical pipe of an industrial heat exchanger so as to assess it and a more complex duct in order to study the performance of the jets in a duct where the turbulence has larger intensity. A parametric analysis is performed to investigate the effect of jets using as parameters the impingement angle, the blowing mass flow, the velocity and their directions. The effect of jets on the heat transfer process is assessed by the change in temperature difference between the inlet and the outlet of the duct. The results are promising, as an enhancement of the heat transfer process was observed in both cases, proving thus that further investigation is needed.