| dc.description.abstract | Målet for denne masteravhandlingen er å bruke numerisk fluiddynamikk (CFD) til å undersøke varmeovergang og trykktap for luftsiden av finnede rør og finnede rørbunter i programmet OpenFOAM. De finnede rørene som er undersøkt har en liten rørdiameter for å spare vekt. Detter er nødvendig fordi rørene skal brukes i offshore gjenvinning av spillvarme (WHRU). Til denne bruken er lav vekt og lavt volum viktig. Dette krever en optimalisering av designet, og for en slik optimalisering er forståelse for hvordan den lokale varmeoverføringen oppfører seg viktig. Her kan numerisk fluiddynamikk være et godt verktøy.
Arbeidet i denne avhandlingen er en fortsettelse på arbeidet gjort i prosjektavhandlingen. I prosjektavhandlingen ble en numerisk modell for en rad av runde heltrukne finnede rør utviklet. En oppdatert versjon av denne modellen ble brukt i denne avhandlingen. Først til å undersøke mesh/grid avhengighet, så til å undersøke forskjeller mellom noen passende turbulensmodeller.
Disse undersøkelsen viste at y^+_p bør ha en verdi lavere enn to, noe som samsvarer med anbefalinger funnet i litteraturen. y^+_p er her en størrelse brukt til å beskrive en dimensjonsløs avstand fra en vegg til det første gridpunktet. Utfra resultatene for de forskjellige turbulensmodeller ble Spalart-Allmaras turbulensmodellen valgt. Denne modellen ble valgt fordi den er stabil og enkel, uten at det påvirker nøyaktigheten i resultatet signifikant.
Disse resultatene ble så brukt til å utvikle en full rørbunt modell, denne hadde i utgangspunktet åtte rørrekker. En del problemer oppstod i genereringen av et grid til full rørbunt simuleringene. Disse problemene med å genere et godt grid resulterte i at Reynolds-tallet måtte ha en øvre begrensning på Re=5500 for alle simuleringene.
Tre simuleringer ble kjørt på dette åtterekkers simulerings domenet. En feil ble gjort da geometriene ble tegnet som gjorde at annenhver rekke var forskjøvet. Trykktap og varmeovergangsresultatene er fremdeles innenfor feilbandet til korrelasjonene som ble brukt for å validere modellen. Varmeovergangen rekke for rekke oppførte seg derimot annerledes enn hva som er forventet utfra resultater i litteraturen.
Rekke for rekke resultatene fra simuleringene var tenkt som hjelp til å bestemme hvor mange rørrekker som skulle modelleres i resten av avhandlingen. Siden det vare en feil i geometrien, ble det i stedet tatt en bestemmelse ved hjelp av resultater i litteraturen. Fra disse ble det bestemt å fortsette med fem rørrekker.
En undersøkelse av geometriparametere ble gjennomført med et Reynolds-tall på Re=5500. Disse undersøkelsen ble alle gjort med en modifisert versjon av den fulle rørbunt modellen med fem rørrekker. For å ha et bedre grunnlag for å sammenligne ble en ny fem rekkers simulering med den originale geometrien gjennomfør. Sammenlignet med åtterørs simuleringen hadde denne fem rørs simuleringen et varmeovergangstall som var 26% lavere. Hvorfor dette vare tilfelle er ikke oppklart, men forskjeller i mesh-kvalitet virker sannsynlig.
Geometri parameterne som ble undersøkt var finnetuppklaring, finne avstand/pitch og rørbunt konfigurasjon. De numeriske resultatene for de forskjellige parameterne ble sammenlignet med eksisterende litteratur. Fordelingen av varmeovergangstallet over finnene ble også sammenlignet. Dette ble gjort for å bedre forstå hvordan varmeovergangen blir påvirket av geometriforandringene.
Et litteraturstudium om fordelingen av varmeovergangstallet over en finne ble også gjennomført. Resultater for hvordan varmeovergangstallsfordelingen blir påvirket av geometriforandringer er ikke funnet i litteraturen, og er dermed noe nytt denne avhandlingen tilbyr.
Mulige forklaringer på de forskjellige oppførselene sett i resultatene for geometriforandringene er foreslått. Videre arbeid trengs derimot til å bekrefte om oppførselene er rette og hva som faktisk ligger til grunne for dem.
Simuleringene i denne avhandlingen er kjørt på en stasjonær PC utlånt av instituttet for Energi og Prosessteknikk (EPT), og på IDUN/EPIC regne-clusteret på NTNU.
En redusert domene modell for en full rørbunt med sykliske grensebetingelser i strømningsretningen ble også undersøkt. Implementeringen av denne var ikke suksessfull. | |
| dc.description.abstract | The objective of this thesis is to use CFD to investigate the air-side heat transfer and pressure drop over finned-tubes and finned-tube bundles, using the software OpenFOAM. The finned-tubes investigated have a small tube diameter to save weight. This is necessary due to their intended usage in offshore waste heat recovery units. In such applications, the weight and volume must be kept to a minimum. This requires optimisation of the design. For optimisation, understanding the local heat transfer behaviour is important. To this extent, CFD can be a powerful tool.
The work in this thesis is a continuation of the work done in the project thesis, where a simulation model for one row of solid annular finned-tubes was developed. An updated version of this model was used in this thesis to investigate the grid dependency of the simulation results and the influence of using different turbulence models. The findings showed that y^+_p should be kept below two, which is in accordance with recommendations found in the literature. y^+_p is here used to describe a dimensionless distance from a wall boundary to the first cell centre in the grid. From the investigation of suitable turbulence models, the Spalart-Allmaras turbulence model was chosen. It was chosen for its simplicity and stability, without any significant sacrifice in the accuracy of the results.
These findings were then used to develop a full bundle model, initially consisting of eight rows. Quite a lot of problems were experienced in the generation of the grids for the full bundle simulations. These problems in achieving a good grid meant the Reynolds number had to be limited to Re=5500 for all the simulations. Three initial simulations were performed using the eight-row full bundle simulation domain. A mistake was, however, made in the geometry where every other row was slightly shifted.
The results for the pressure drop and heat transfer coefficient were within the error band of the correlations used to validate the model. The row-by-row heat transfer coefficient did, however, not behave as expected from the literature. These row-by-row results were intended to be used as an aid in deciding how many rows to model in the rest of the thesis. Since the simulation geometries were incorrect, findings in the literature were used instead. From which it was decided to continue with five rows.
An investigation into geometry parameters was conducted at a Reynolds number Re=5500. These all used a modified version of the full bundle model with five rows. To get a better comparison for these simulations, a new five-row simulation with the initial geometry was performed. Compared to the eight-row simulation, this five-row simulation had a 26% lower heat transfer coefficient. Why this is, was not found, but differences in mesh quality seem likely.
The geometry parameters investigated were fin tip clearance, fin pitch and tube bundle layout. The simulation results for the different parameters were compared with the literature. The local heat transfer coefficient over the fins was also compared. This was done to get a better understanding of how the changes in the geometry parameters affects the heat transfer.
A literature study of the distribution of the heat transfer coefficient over the fin was conducted. However, how changes in the geometry changes the distribution of the heat transfer coefficient is lacking in the literature. This is something new this thesis provides.
Possible explanations for the behaviours seen in the results for the different geometry changes have been proposed. Further studies are, however, needed to confirm the behaviours found in the simulation results, and what is causing them.
The simulations in this thesis were run on a computer provided by the Department of Energy and Process Engineering (EPT), and on the computer cluster IDUN/EPIC at NTNU.
A reduced domain full bundle model with cyclic boundary conditions in the streamwise direction was also investigated. No successful implementation was, however, achieved. | |
