Υπολογιστική ανάλυση ροϊκού πεδίου και βελτιστοποίηση σχεδιασμού τριγωνικών διατάξεων Pin-Fins σε ορθογωνικής διατομής αγωγό
Η παρούσα διπλωματική εργασία εστιάζει στην βελτιστοποίηση των θερμικών εναλλακτών, με σκοπό την μέγιστη μεταφορά θερμότητας, μεταξύ των δύο ρευστών, και την ελαχιστοποίηση των απωλειών. Ειδικότερα, ένας από τους τρόπους αύξησης του ποσού της μεταφερόμενης θερμότητας από το ένα ρευστό στο άλλο είνα...
| Κύριος συγγραφέας: | |
|---|---|
| Άλλοι συγγραφείς: | |
| Γλώσσα: | Greek |
| Έκδοση: |
2020
|
| Θέματα: | |
| Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/14059 |
| id |
nemertes-10889-14059 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
UPatras |
| collection |
Nemertes |
| language |
Greek |
| topic |
Τυρβώδης κινητική ενέργεια k-ω SST μοντέλο τύρβης Συντελεστής πίεσης Δυναμική ανάλυση ρευστών Pin-Fins Turbulent flow |
| spellingShingle |
Τυρβώδης κινητική ενέργεια k-ω SST μοντέλο τύρβης Συντελεστής πίεσης Δυναμική ανάλυση ρευστών Pin-Fins Turbulent flow Μαργέτη, Μαρία-Ελένη Υπολογιστική ανάλυση ροϊκού πεδίου και βελτιστοποίηση σχεδιασμού τριγωνικών διατάξεων Pin-Fins σε ορθογωνικής διατομής αγωγό |
| description |
Η παρούσα διπλωματική εργασία εστιάζει στην βελτιστοποίηση των θερμικών
εναλλακτών, με σκοπό την μέγιστη μεταφορά θερμότητας, μεταξύ των δύο ρευστών, και την ελαχιστοποίηση των απωλειών. Ειδικότερα, ένας από τους τρόπους αύξησης του ποσού της μεταφερόμενης θερμότητας από το ένα ρευστό στο άλλο είναι η δημιουργία τυρβώδους ροϊκού πεδίου, το οποίο μπορεί να επιτευχθεί με την προθήκη ειδικών διατάξεων, εντός των αγωγών, των θερμικών εναλλακτών. Για τον λόγο αυτό, στην παρούσα εργασία μελετάται το ροϊκό πεδίο που δημιουργείται σε έναν τετραγωνικής διατομής αγωγό μετά την προσθήκη τριγωνικών διατάξεων Pin-Fins, τόσο ανά μονάδες όσο και ανά τριάδες, εξασφαλίζοντας έτσι την καλύτερη απόδοση των θερμικών εναλλακτών. Επιπροσθέτως, εσωτερικά των τριγωνικών Pin-Fins σχεδιάζονται αυλακώσεις σε συγκεκριμένες γωνίες με τον άξονα x, ο οποίος είναι και ο άξονας που διέρχεται παράλληλα η ροή. Πιο συγκεκριμένα οι αυλακώσεις και γενικότερα οι διατάξεις για τις απαραίτητες προσομοιώσεις σχεδιάζονται με τη βοήθεια του CATIA_V5-6 R2016. Οι γωνίες που σχηματίζουν οι αυλακώσεις με τον άξονα x είναι 30o,45o ,60o και -30o,-45o,-60o με τον -x, ενώ παράλληλα δημιουργούνται και δύο πιο πολύπλοκες γεωμετρίες όπου, η μια σχηματίζει γωνία -45o με τον άξονα -x και ταυτόχρονα γωνία 30o με τον x, και η δεύτερη, γωνία 60o με τον -x και 0o με τον x. Με τη βοήθεια του ANSYS|FLUENT πραγματοποιούνται οι παραπάνω προσομοιώσεις επιλέγοντας το μοντέλο τύρβης k-ω, SST, και διερευνάται το ροϊκό πεδίο εστιάζοντας στην κρίσιμη περιοχή, δηλαδή γύρω από τα τοποθετημένα Pin-Fins στον αγωγό. Αξίζει να σημειωθεί πως οι προσομοιώσεις γίνονται αρχικά στις ταχύτητες 1m/s, 3m/s, 5m/s, 7m/s και 10m/s ώστε τελικά να διασαφηνιστεί η βέλτιστη γεωμετρικά διάταξη αλλά και η καταλληλότερη ταχύτητα ροής αέρα που θα διαπερνά τον αγωγό, για την μέγιστη απόδοση.
Αρχικά, οι μονές διατάξεις, δηλαδή εκείνες οι οποίες περιέχουν ένα μόνο Pin-Fin στον αγωγό, προσομοιώνονται σε ταχύτητες 1,3,5,7,10 m/s και μετά από σύγκριση παρατηρείται πως οι βέλτιστες ταχύτητες είναι οι 5,7,10 m/s. Για αυτόν τον λόγο, η παραμετρική ανάλυση των διατάξεων που περιέχουν τριάδες Pin-Fins, πραγματοποιείται μόνο για τις παραπάνω ταχύτητες. Κατόπιν σύγκρισης, όπως θα αναφερθεί στην συνέχεια, καταλήγουμε στο συμπέρασμα πως οι βέλτιστη διάταξη, τόσο μεταξύ των μονάδων όσο και των τριάδων, είναι αυτή όπου οι αυλακώσεις σχηματίζουν γωνία 30 μοιρών με τον άξονα x. Επιπροσθέτως, μεταξύ των δύο αυτών διατάξεων
(μονάδα-30oκαι τριάδα-30o) η βέλτιστη είναι η τριάδα καθώς δημιουργεί μεγαλύτερα ποσά τυρβώδους κινητικής ενέργειας, πιο διαταραγμένα προφίλ και μεγαλύτερες ταχύτητες, με ελάχιστα μεγαλύτερες απώλειες πίεσης από ότι οι διατάξεις-μονάδας. Εξαιτίας των προαναφερθέντων, καθώς η τυρβώδης κινητική ενέργεια του εργαζόμενου μέσου είναι μεγαλύτερη, λογικό επακόλουθο είναι η αύξηση της μετάδοσης θερμότητας που αποτελεί μελλοντική μελέτη. |
| author2 |
Margeti, Maria-Eleni |
| author_facet |
Margeti, Maria-Eleni Μαργέτη, Μαρία-Ελένη |
| author |
Μαργέτη, Μαρία-Ελένη |
| author_sort |
Μαργέτη, Μαρία-Ελένη |
| title |
Υπολογιστική ανάλυση ροϊκού πεδίου και βελτιστοποίηση σχεδιασμού τριγωνικών διατάξεων Pin-Fins σε ορθογωνικής διατομής αγωγό |
| title_short |
Υπολογιστική ανάλυση ροϊκού πεδίου και βελτιστοποίηση σχεδιασμού τριγωνικών διατάξεων Pin-Fins σε ορθογωνικής διατομής αγωγό |
| title_full |
Υπολογιστική ανάλυση ροϊκού πεδίου και βελτιστοποίηση σχεδιασμού τριγωνικών διατάξεων Pin-Fins σε ορθογωνικής διατομής αγωγό |
| title_fullStr |
Υπολογιστική ανάλυση ροϊκού πεδίου και βελτιστοποίηση σχεδιασμού τριγωνικών διατάξεων Pin-Fins σε ορθογωνικής διατομής αγωγό |
| title_full_unstemmed |
Υπολογιστική ανάλυση ροϊκού πεδίου και βελτιστοποίηση σχεδιασμού τριγωνικών διατάξεων Pin-Fins σε ορθογωνικής διατομής αγωγό |
| title_sort |
υπολογιστική ανάλυση ροϊκού πεδίου και βελτιστοποίηση σχεδιασμού τριγωνικών διατάξεων pin-fins σε ορθογωνικής διατομής αγωγό |
| publishDate |
2020 |
| url |
http://hdl.handle.net/10889/14059 |
| work_keys_str_mv |
AT margetēmariaelenē ypologistikēanalysēroïkoupedioukaibeltistopoiēsēschediasmoutrigōnikōndiataxeōnpinfinsseorthogōnikēsdiatomēsagōgo AT margetēmariaelenē flowfieldcomputationalanalysisanddesignoptimizationoftriangularpinfinarrangementsinorthogonalcrosssectionpipe |
| _version_ |
1771297176237899776 |
| spelling |
nemertes-10889-140592022-09-05T06:57:30Z Υπολογιστική ανάλυση ροϊκού πεδίου και βελτιστοποίηση σχεδιασμού τριγωνικών διατάξεων Pin-Fins σε ορθογωνικής διατομής αγωγό Flow field computational analysis and design optimization of triangular Pin-Fin arrangements in orthogonal cross section pipe Μαργέτη, Μαρία-Ελένη Margeti, Maria-Eleni Τυρβώδης κινητική ενέργεια k-ω SST μοντέλο τύρβης Συντελεστής πίεσης Δυναμική ανάλυση ρευστών Pin-Fins Turbulent flow Η παρούσα διπλωματική εργασία εστιάζει στην βελτιστοποίηση των θερμικών εναλλακτών, με σκοπό την μέγιστη μεταφορά θερμότητας, μεταξύ των δύο ρευστών, και την ελαχιστοποίηση των απωλειών. Ειδικότερα, ένας από τους τρόπους αύξησης του ποσού της μεταφερόμενης θερμότητας από το ένα ρευστό στο άλλο είναι η δημιουργία τυρβώδους ροϊκού πεδίου, το οποίο μπορεί να επιτευχθεί με την προθήκη ειδικών διατάξεων, εντός των αγωγών, των θερμικών εναλλακτών. Για τον λόγο αυτό, στην παρούσα εργασία μελετάται το ροϊκό πεδίο που δημιουργείται σε έναν τετραγωνικής διατομής αγωγό μετά την προσθήκη τριγωνικών διατάξεων Pin-Fins, τόσο ανά μονάδες όσο και ανά τριάδες, εξασφαλίζοντας έτσι την καλύτερη απόδοση των θερμικών εναλλακτών. Επιπροσθέτως, εσωτερικά των τριγωνικών Pin-Fins σχεδιάζονται αυλακώσεις σε συγκεκριμένες γωνίες με τον άξονα x, ο οποίος είναι και ο άξονας που διέρχεται παράλληλα η ροή. Πιο συγκεκριμένα οι αυλακώσεις και γενικότερα οι διατάξεις για τις απαραίτητες προσομοιώσεις σχεδιάζονται με τη βοήθεια του CATIA_V5-6 R2016. Οι γωνίες που σχηματίζουν οι αυλακώσεις με τον άξονα x είναι 30o,45o ,60o και -30o,-45o,-60o με τον -x, ενώ παράλληλα δημιουργούνται και δύο πιο πολύπλοκες γεωμετρίες όπου, η μια σχηματίζει γωνία -45o με τον άξονα -x και ταυτόχρονα γωνία 30o με τον x, και η δεύτερη, γωνία 60o με τον -x και 0o με τον x. Με τη βοήθεια του ANSYS|FLUENT πραγματοποιούνται οι παραπάνω προσομοιώσεις επιλέγοντας το μοντέλο τύρβης k-ω, SST, και διερευνάται το ροϊκό πεδίο εστιάζοντας στην κρίσιμη περιοχή, δηλαδή γύρω από τα τοποθετημένα Pin-Fins στον αγωγό. Αξίζει να σημειωθεί πως οι προσομοιώσεις γίνονται αρχικά στις ταχύτητες 1m/s, 3m/s, 5m/s, 7m/s και 10m/s ώστε τελικά να διασαφηνιστεί η βέλτιστη γεωμετρικά διάταξη αλλά και η καταλληλότερη ταχύτητα ροής αέρα που θα διαπερνά τον αγωγό, για την μέγιστη απόδοση. Αρχικά, οι μονές διατάξεις, δηλαδή εκείνες οι οποίες περιέχουν ένα μόνο Pin-Fin στον αγωγό, προσομοιώνονται σε ταχύτητες 1,3,5,7,10 m/s και μετά από σύγκριση παρατηρείται πως οι βέλτιστες ταχύτητες είναι οι 5,7,10 m/s. Για αυτόν τον λόγο, η παραμετρική ανάλυση των διατάξεων που περιέχουν τριάδες Pin-Fins, πραγματοποιείται μόνο για τις παραπάνω ταχύτητες. Κατόπιν σύγκρισης, όπως θα αναφερθεί στην συνέχεια, καταλήγουμε στο συμπέρασμα πως οι βέλτιστη διάταξη, τόσο μεταξύ των μονάδων όσο και των τριάδων, είναι αυτή όπου οι αυλακώσεις σχηματίζουν γωνία 30 μοιρών με τον άξονα x. Επιπροσθέτως, μεταξύ των δύο αυτών διατάξεων (μονάδα-30oκαι τριάδα-30o) η βέλτιστη είναι η τριάδα καθώς δημιουργεί μεγαλύτερα ποσά τυρβώδους κινητικής ενέργειας, πιο διαταραγμένα προφίλ και μεγαλύτερες ταχύτητες, με ελάχιστα μεγαλύτερες απώλειες πίεσης από ότι οι διατάξεις-μονάδας. Εξαιτίας των προαναφερθέντων, καθώς η τυρβώδης κινητική ενέργεια του εργαζόμενου μέσου είναι μεγαλύτερη, λογικό επακόλουθο είναι η αύξηση της μετάδοσης θερμότητας που αποτελεί μελλοντική μελέτη. The present thesis focuses on the optimization of heat exchangers, in order to maximize heat transfer between the two fluids, and to minimize losses. In particular, one of the ways to increase the amount of heat transferred from one fluid to another is to create a turbulent flow field, which can be achieved by the addition of special geometries, the turbulators, within the orthogonal cross section pipe, of the heat exchangers. For this reason, in the present project, the flow field created in an orthogonal cross-section pipe is studied after the addition of triangular Pin-Fins, both per unit and per triple, thus ensuring the best efficiency of the heat exchangers. In addition, grooves are designed inside the triangular Pin-Fins at specific angles with the x-axis, which is the axis through which the flow passes in parallel. More specifically, the grooves and in general the arrangements for the necessary simulations are designed with the aid of CATIA_V5-6 R2016. The angles formed by the grooves with the x-axis are 30o,45o,60o and -30o, -45o, -60o with the -x-axis, while at the same time, two more complex geometries are created, that the first one’s grooves form -45o angle with the -x-axis and simultaneously 30o angle with x-axis, and the second one’s grooves form 60o angle with -x-axis and 0o angle with x-axis. With the aid of ANSYS | FLUENT the above simulations are performed by the selection of the turbulence k-ω model, SST, and the flow field is investigated focusing on the critical area, ie around the Pin-Fins placed in the pipeline. It is worth noting that the simulations are initially conducted at inlet velocities of 1m/s, 3m/s, 5m/s, 7m/s and 10m/s in order to finally clarify the optimal geometric arrangement and the most appropriate velocity of air flow that will pass through the duct, for maximum performance. Initially, the single turbulators, ie those that contain a single Pin-Fin in the pipeline, are simulated at inlet velocities of 1,3,5,7,10 m/s and after comparison it is observed that the optimal speeds are 5,7,10 m/s. For this reason, the parametric analysis of turbulators containing Pin-Fins in set of three, is performed only for the above inlet velocities. After comparison, as will be mentioned below, we conclude that the optimal arrangement, both between the units and the triplets, is that one that the grooves form 30 degrees angle with the x-axis. In addition, between these two triangular arrangement turbulators (unit-30o and triad-30o) the optimal is the triad as it creates larger amounts of turbulent kinetic energy, more disturbed pressure and velocity profiles and higher velocities, with slightly greater pressure losses than the unit-turbulators. Due to the above, as the turbulent kinetic energy of the working medium is higher, the increase in heat transfer is a logical consequence and a future study challenge. 2020-10-21T11:57:16Z 2020-10-21T11:57:16Z 2020-10-10 http://hdl.handle.net/10889/14059 gr application/pdf |
