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Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.unb.br/handle/10482/36105
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Title: Numeric simulation of developing turbulent flow in eccentric channels effect of the velocity fluctuations on the convective heat transfer
Authors: Candela, Diana Caterinne Sandoval
Orientador(es):: Goulart, Jhon Nero Vaz
Assunto:: Canal concêntrico
Escoamento
Transferência de calor
Canais anulares
Issue Date: 9-Jan-2020
Citation: CANDELA, Diana Caterinne Sandoval. Numeric simulation of developing turbulent flow in eccentric channels effect of the velocity fluctuations on the convective heat transfer. 2019. 83 f., il. Dissertação (Mestrado em Integridade de Materiais da Engenharia)—Universidade de Brasília, Brasília, 2019.
Abstract: A transferência de calor convectiva e as características do escoamento em canais anulares é um fenômeno importante no campo da engenharia. Muitas das aplicações da engenharia te, canais concêntricos e excêntricos, como trocadores de calor, reatores nucleares, sistemas de energia solar, esfriamento de dispositivos eletrônicos. Alguns canais anulares aparecem como resultado de erros na fabricação ou na construção levando a ter desalinhamento das tubulações e assim o aparecimento dessas configurações geométricas com fendas estreitas. Nos dois caos é importante entender o comportamento do escoamento. O intuito do trabalho é investigar o efeito das flutuações da velocidade nos coeficientes de transferência de calor para canais excêntricos usando simulação numérica. Os principais parâmetros geométricos do canal são o comprimento, L=1500 mm e a razão dos diâmetros Di/Do=0.5. A excentricidade muda entre 0.7 e 0.9 em intervalos de 0.05. Para os problemas acoplados o numero de Reynolds e o numero de Prandtl foram mantidos constantes Re = 15000 e Pr = 0.7. A condição de contorno para o problema de transferência de calor foi um fluxo de calor prescrito na parede interna q’’ = 2000 W/m2 e a parede externa é mantida isolada. Foram feitas simulações numéricas usando formulações URANS/LES com o intuito de ter uma previsão das principais características do escoamento turbulento. O fluido de trabalho foi ar e o numero de Reynolds foi baseado no diâmetro hidráulico a velocidade media ub e a viscosidade cinemática do -SST, esse modelo resolve o campo de fluxo fazendo uma troca entre o modelo LES e o modelo kw SST. A geometria do problema e a mesma usada pelo Choueiri e o Tavoularis [1] no seu trabalho experimental. Na nossa primeira simulação só o campo de velocidade, as Tensões de Reynolds e a dinâmica do escoamento foi simulada e comparada com o trabalho experimental. Depois o numero de Reynolds foi incrementado e o problema de transferência de calor foi adicionado. Para ter certeza que a metodologia usada era certa, foi simulado um caso concêntrico com o problema de transferência de calor. Os resultados foram comparados com es equações analíticas presentadas pelo Gnielinski (2011). A analise de resultados mostrou que o modelo usado para as simulações numéricas teve sucesso ao prever as características do escoamento. O comportamento quase-periódico foi modelado corretamente pelo código e presentou uma boa concordância com os resultados experimentais do Choueiri e o Tavoularis [1]. A metodologia usada para os casos com transferência de calor foi validada com as equações analíticas para o caso concêntrico. Após a validação da metodologia, os casos excêntricos foram simulados com a s mesmas condições de contorno. Foi possível achar uma correlação direta entre o numero de Nusselt e o comportamento dinâmico do escoamento. Segundo os resultados, após do inicio das flutuações de velocidade a redução da área não afeta fortemente o processo de transferência de calor. Foi achada uma excentricidade ótima e=0.85 onde foi ppossivel manter quase os mesmos valores do numero de Nusselt que foram obtidos no caso concêntrico. Os piores resultados foram obtidos nas excentricidades de 0.7 e 0.75 onde as flutuações de velocidade não apareceram ou apareceram só no final do canal e o numero de Nusselt apresentou reduções de ate 75% comparado com o caso concêntrico.
Abstract: Forced convection heat transfer and the characteristics of the flow in annulus passages are important phenomena in the engineering field. Many engineering applications have concentric and eccentric annulus pipe flows such as heat exchangers, nuclear reactors, solar energy systems, thermal storage systems, cooling of electronic devices. Some annular passages appear as a result of fabrication or construction errors, leading to tube misalignment and, therefore, the appearance these geometric configurations with very narrow passages. In both cases, it is important to know and understand the behavior of the flow. The new geometry configurations may affect the physics of the heat transfer phenomena for instance. The aim of this work is to investigate the effect of the velocity fluctuations in the heat transfer coefficients for eccentric channels using numerical simulation. The main geometric parameters of the channel are the length, L=1500 mm and the diameter ratio Di/Do=0.5. The eccentricity varies from 0.7 up to 0.9 in intervals of 0.05. For coupled problem simulations, accounting for heat transfer associated to turbulence, both Reynolds number and Prandtl number were kept constant, Re = 15000 and Pr = 0.7. The boundary condition of the heat transfer problem was prescribed heat flux at the inner wall surface, q’’ = 2000 W/m2 while the outer wall was kept insulated. Numerical simulation has been performed using the URANS/LES approach in order to predict the main features of the turbulent flow. The working fluid was air and the Reynolds number was based on the hydraulic diameter h D , the mean average velocity ub and the kinematic viscosity of the fluid, . Throughout the computations the density was kept constant. The specific model used was the DES-SST model, such model solves the flow field switching to LES turbulence model wherever possible, otherwise the k-w SST model is then activated. The geometry of the problem presented in this work matches the one used by Choueiri and Tavoularis[1] in their experimental work. In our first simulation only the velocity field, the Reynolds stresses and the dynamic of the flow were computed and compared with the experimental work from the mentioned authors. Afterwards, the Reynolds number was increased twice and the heat transfer problem was set up. To assure the correct methodology was employed during the computations, a concentric case was also simulated, under the same Reynolds and Prandlt numbers. The results were then compared with the analytical equations presented by Gnielinski (2011). The analysis of the results showed that the model used for the numerical simulations was successful in predicting the characteristics of the flow. The patterns of the velocity fluctuations and their quasi-periodic motions were correctly predicted by the code and presented good agreement with experimental data from the fluid dynamics studies of Choueri and Tavoularis[1]. The methodology used for the heat transfer case was validated through the analytical equations for the concentric case. After the validation of the methodology for the concentric case, the eccentric cases were simulated with the same boundary conditions (Re=15000, Pr=0.7, Di/Do = 0.5 and constant heat flux q’’ = 2000 W/m2 and density, while the outer wall kept insulated). It was possible to find a direct correlation between the Nusselt number and the dynamic behavior of the flow. According to the results at the onset of the velocity fluctuations, the reduction of the area at the narrow gap no longer affects the heat transfer process strongly. For an optimal eccentricity, found in our case to be 0.85, it may be possible to maintain almost the same values of the Nusselt number that are found in the concentric case. The worst outcomes were found in the cases with eccentricities of 0,7 and 0,75 where the velocity fluctuations did not appeared just at the end of the channel. In these cases, the Nusselt number in the Narrow gap was decreased by around 75% in comparison with the concentric case.
Description: Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade UnB Gama, Programa de Pós-Graduação em Integridade de Materiais da Engenharia, 2019.
Licença:: A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.
Agência financiadora: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).
Appears in Collections:FGA - Mestrado em Integridade de Materiais da Engenharia

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