Υπολογιστική διερεύνηση της επίδρασης στο ροϊκό και θερμικό πεδίο αγωγού ορθογωνικής διατομής και σταθερής θερμοκρασίας τοιχωμάτων, ενός σταυροειδούς επίπεδου ελάσματος με οπές, για διαφορετικό αριθμό οπών και αριθμών Reynolds

• Main Author: Πουλόπουλος, Ιωάννης
• Other Authors: Poulopoulos, Ioannis
• Language: Greek
• Published: 2023
• Subjects: Ενίσχυση μετάδοσης θερμότητας; Γεννήτριες δινών; Υπολογιστική ρευστοδυναμική; Μοντέλο τύρβης k – ε; Heat transfer enhancement; Vortex generator; Computational fluid dynamics; k – ε turbulence model; Ansys Fluent

Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της επίδρασης ενός επίπεδου ελάσματος, το οποίο λειτουργεί ως μία γεννήτρια δινών (vortex generator), σε σχήμα σταυρού με οπές, στο θερμικό και ροϊκό πεδίο ενός αγωγού ορθογωνικής διατομής με σταθερά θερμαινόμενα τοιχώματα. Οι γεννήτριες δινών χαρακτηρίζονται ως αποδοτικά γεωμετρικά βοηθήματα που χρησιμοποιούνται σε προβλήματα ρευστοδυναμικής για την επαγωγή δευτερευουσών ροών με στόχο την ανακατασκευή του πεδίου ροής. Σκοπός της διερεύνησης είναι η ενίσχυση της μετάδοσης θερμότητας κατά μήκος του αγωγού, προσομοιώνοντας 4 γεωμετρικά μοντέλα, τα οποία διαφέρουν ως προς τον αριθμό των οπών στο διάμηκες τμήμα της υπό κλίσης σταυροειδούς ράμπας, για αριθμούς Reynolds 5000, 10000, 15000 και 20000. Η υπολογιστική διερεύνηση βασίζεται στην Υπολογιστική Ρευστοδυναμική (CFD) και διενεργείται με χρήση του λογισμικού Ansys Fluent. Αρχικά, γίνεται μία θεωρητική εισαγωγή στην ρευστομηχανική και τη μετάδοση θερμότητας, με έμφαση στις τυρβώδεις ροές, τις δευτερογενείς ροές, την εξαναγκασμένη συναγωγή και την ενίσχυση μετάδοσης θερμότητας με γεννήτριες δινών. Ακολουθεί, επίσης, μία εισαγωγή στην υπολογιστική ρευστοδυναμική, τις χρονικά μέσες εξισώσεις Navier-Stokes (RANS) και τη μοντελοποίηση της τύρβης. Έπειτα, περιγράφεται η διαδικασία μοντελοποίησης στο Fluent, όπου προηγείται η κατασκευή των γεωμετριών των μοντέλων και η κατασκευή των υπολογιστικών πλεγμάτων των προσομοιώσεων. Στη συνέχεια, για την επίλυση επιλέγεται το μοντέλο τύρβης k – ε Realizable, ενώ εφαρμόζεται θερμοκρασία εισόδου του αέρα ίση με 273 K και σταθερή θερμοκρασία τοιχωμάτων ίση με 650 Κ. Σε πρώτη φάση, πραγματοποιούνται οι προσομοιώσεις των τεσσάρων μοντέλων για αριθμό Re=10000 και γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων, τόσο μεταξύ τους όσο και με τα αντίστοιχα αποτελέσματα για την ίδια ροή σε αγωγό χωρίς ράμπα. Η σύγκριση βασίζεται κυρίως στη μέση θερμοκρασία T_bulk και το συντελεστή μεταφοράς θερμότητας h κατά μήκος του αγωγού, τον αριθμό Nusselt, καθώς επίσης και το συντελεστή τριβής f. Ακολουθεί η ίδια διαδικασία για τα μοντέλα στους υπόλοιπους αριθμούς Reynolds και προτείνεται το αποδοτικότερο μοντέλο για κάθε περίπτωση. Τέλος, παρουσιάζονται οι γενικές παρατηρήσεις από την παρούσα μελέτη καθώς και προτάσεις για μελλοντική έρευνα.