Lämmönsiirron numeerinen laskenta profiloidulle kanavalle.

Abstract

Työn tavoitteena oli tutkia aaltomaisen profiloinnin vaikutusta suorien jäähdytyskanavien lämmönsiirtoon ja painehäviöön. Erilaisia profiileja oli kymmenen kappaletta ja ne olivat 5mm leveitä ja 30cm pitkiä kukin. Ne laskettiin kolmeulotteisina tapauksina FINFLO-virtausratkaisijalla kolmella eri Reynoldsin luvulla, jotka vastasivat laminaarista, osittain turbulenttista ja lähes kokonaan turbulenttista virtausta. Lämmönsiirtoaine oli kuiva +30°C ilma ja profiloinnin toteutustapa oli toisiaan sivuavat ympyräkaaret kolmella erilaisella säteen arvolla ja kolmella erilaisella aallonpituuden arvolla. Lisäksi laskettiin saman levyisen tasokanavan arvot jokaisella Reynoldsin luvulla kaksiulotteisina tapauksina. Näitä profiloimattomia kanavia pidettiin referenssitapauksina. Tuloksena havaittiin että profiloimalla saadaan yksiselitteisesti suurempi lämpöteho ulos samasta tilavuudesta. Lämmönsiirtokerroin kasvaa profiloinnin avulla parhaimmillaan n. 20% käytetystä turbulenssimallista tai lämmönsiirtokertoimen määritelmästä riippumatta. Painehäviö kasvaa myös aina, mutta kitkakerroin voi hieman pienentyä. Profiilin varsinaisena hyvyyskriteerinä pidettiin lämmönsiirtokertoimen ja kitkakertoimen suhdetta h/f. Se osoittautui riippuvaksi Reynoldsin luvusta ja turbulenssimallista; ASM ja Chien k-έ -mallit ennustavat transitioetäisyyden eri tavalla. Laminaarisilla virtauksilla h/f :n vaihtelu oli vähäistä; suhde vaihteli vain ±5% eri profiilien kesken. ASM-mallilla havaittiin sekundääripyörteilyä, ehkä siksi että se mallintaa anisotrooppisen turbulenssin. Chien k-έ malli ennusti suuremman ja aikaisemmin alkavan turbulenttisuuden kuin ASM. Lisäksi havaittiin mm. että tietyillä profiileilla muodostuu kanavan kapeimpaan kohtaan selvä virtausnopeuden paikallinen minimi seinämän läheisyyden takia.

The objective of the work was to examine the effects of wave-shaped profiling on the heat transfer and pressure loss of direct cooling channels. There were ten different kinds of profiles and they were 5 mm wide and 30 cm long each. They were calculated as three-dimensional cases with FINFLO-solver with three different Reynolds numbers, corresponding laminar, partly turbulent and nearly fully turbulent flow. The fluid was dry air of +30°C and the way of profiling was tangential circular arcs with three different radius and three different wavelength values. Additionally the results of the plane channel of same width were calculated with every used Reynolds number as two-dimensional cases. These non-profiled channels were held as reference cases. As an unambiguous result could be seen, that with profiling a bigger heat flux is achieved from the same volume. The heat transfer coefficient is with profiling growing at its most about 20% regardless of the turbulence model used or of the definition of the heat transfer coefficient. The pressure loss is also always growing, but the friction coefficient might decrease some. As the actual goodness criteria of the profile was considered the ratio of the heat transfer- and the friction coefficient h/f. It turned out to be dependent on the Reynolds number and of the turbulence model; the ASM and Chien k-έ -models were predicting the transition range differently. In laminar flows the variation of h/f was minor; the ratio varied only by 5% between different profiles. With the ASM model secondary vortices were observed, perhaps because it models anisotropic turbulence. The Chien k-έ -model predicted a larger and an earlier beginning turbulence than the ASM. More over it was to be observed that with certain profiles a clear minimum of flow speed was formed in the narrowest point of the channel due to the nearness of the wall.