Numerical Investigation of Flow Structures and Their Impact on Heat Transfer Performance in a Staggered Arrangement of Rectangular Winglet Pair Vortex Generators in a Fully Developed Channel Flow
Authors
Christoffersen, Kristian Fodgaard ; Bjerg, Allan
Term
4. term
Education
Publication year
2018
Submitted on
2018-06-01
Pages
108
Abstract
Varmevekslere flytter varme mellem væsker og gasser i mange anvendelser. Ved varmeoverførsel fra væske til gas er gas-siden ofte den største flaskehals, fordi gas leder varme dårligt. En måde at forbedre dette på er at montere små virvelgeneratorer (VG'er), fx winglets, som skaber roterende strømninger (virvler). Disse virvler blander gassen og påvirker det termiske grænselag – det tynde lag tæt ved overfladen hvor varmeoverførslen er langsom – så varmeoverførslen øges. Dette arbejde undersøger, hvordan højden på winglets og den længdegående pitchafstand (afstanden mellem rækker langs strømningen) påvirker strømningen samt den resulterende varmeoverførsel og tryktab for rektangulære winglet-par i et forskudt, gentaget arrangement. Der er udviklet en Large Eddy Simulation (LES) til at beregne periodisk strømning og varmeoverførsel, og der er bygget en forsøgsopstilling til Laser Doppler anemometri (LDA) for at validere modellen. LDA-målinger og LES-simuleringer stemmer godt overens med en middelafvigelse på cirka 5 %. De numeriske undersøgelser viser den bedste samlede ydelse ved mindre winglet-højde og større længdegående pitchafstand. I denne konfiguration interagerer de dannede virvler effektivt med det termiske grænselag uden at give et markant tryktab.
Heat exchangers move heat between liquids and gases in many applications. In liquid-to-gas duty, the gas side is often the main bottleneck because gases conduct heat poorly. One way to improve performance is to add small vortex generators (VGs), such as winglets, which create swirling motion (vortices). These vortices mix the gas and act on the thermal boundary layer—the thin region near the surface where heat transfer is slow—so heat transfer increases. This study examines how winglet height and the longitudinal pitch distance (the spacing between rows along the flow) affect the flow, and the resulting heat transfer and pressure loss, for rectangular winglet pairs arranged in a staggered, repeating pattern. We developed a Large Eddy Simulation (LES) model to compute periodic flow and heat transfer and built an experimental setup for Laser Doppler Anemometry (LDA) to validate it. The LDA measurements and LES simulations agree well, with a mean deviation of about 5%. The numerical results show the best overall performance with smaller winglet height and larger longitudinal pitch distance. In this configuration, the vortices interact effectively with the thermal boundary layer without causing significant pressure loss.
[This abstract was generated with the help of AI]
Keywords
Documents