Please use this identifier to cite or link to this item:
Title: Μελέτη και υπολογιστική προσομοίωση της στρωτής παλινδρομικής ροής και της αντίστοιχης μεταφοράς θερμότητας σε κυκλικό αγωγό
Other Titles: Study and CFD analysis of laminar reciprocating flow and the corresponding heat transfer in circular tube
Authors: Σπηλιωτόπουλος, Σπυρίδων
Keywords: Παλινδρομική ροή
Δακτυλιοειδές φαινόμενο
Κινηματικός αριθμός Reynolds
Keywords (translated): Reciprocating flow
Annular effect
Abstract: Παλινδρομικές ροές ονομάζουμε τις μη μόνιμες ταλαντευόμενες ροές με μέση ταχύτητα ταλάντωσης μηδέν, οι οποίες θεωρούμε ότι οδηγούνται από την παλινδρομική κίνηση εμβόλου. Χαρακτηριστικό είναι ότι η κατεύθυνση της ροής αλλάζει σε κάθε μισό της περιόδου. Σημαντικό κομμάτι μελέτης αποτελεί το πρόβλημα της μεταφοράς θερμότητας σε θερμαινόμενους αγωγούς παλινδρομικής ροής που βρίσκει σημαντική εφαρμογή σε συστήματα εναλλακτών, σε κινητήρες Stirling και σε εφαρμογές της θερμοακουστικής. Στην παρούσα εργασία γίνεται μια εισαγωγή στον τρόπο δημιουργίας και μελέτης των παλινδρομικών ροών και διεξάγεται η υπολογιστική προσομοίωση της στρωτής παλινδρομικής ροής ασυμπίεστου αέρα, σε κυκλικό αγωγό με ισοθερμοκρασιακά τοιχώματα. Η προσομοίωση γίνεται με το εμπορικό πακέτο υπολογιστικής ρευστοδυναμικής ANSYS Fluent 19.1. Η μελέτη της στρωτής παλινδρομικής ροής αναλύεται με βάση τις κύριες παραμέτρους, οι οποίες είναι ο λόγος μήκους προς την διάμετρο του αγωγού L/D, το αδιάστατο πλάτος ταλάντωσης A0, ο κινηματικός αριθμός Reynolds Reω και ο αριθμός Prandtl. Ακόμα παρουσιάζεται η κατανομή της ταχύτητας και της θερμοκρασίας κατά μήκος του αγωγού για διαφορετικής τιμές του κινηματικού αριθμού Reynolds και αναφέρεται η παρουσία του δακτυλιοειδούς φαινομένου το οποίο και αποτελεί χαρακτηριστικό της στρωτής παλινδρομικής ροής. Το δακτυλιοειδές φαινόμενο αποτελεί την εμφάνιση της μέγιστης ταχύτητας της ροής, κοντά στα τοιχώματα του αγωγού, σε στρωτές παλινδρομικές ροές, έναντι στο κέντρο του αγωγού, όπως συμβαίνει στην περίπτωση στρωτής μονοσήμαντης μόνιμης ροής σε αγωγό (ροή Hagen-Poiseuille). Τέλος μελετάται η μεταφορά θερμότητας από τα τοιχώματα του αγωγού προς το παλινδρομών ρευστό για διαφορετικές τιμές του κινηματικού αριθμού Reynolds και αποδίδεται λαμβάνοντας υπόψιν τον τοπικό και μέσο τοπικό αριθμό Nusselt. Παρατηρείται ότι στις στρωτές παλινδρομικές ροές η μεταφορά θερμότητας αυξάνεται όσο αυξάνουμε την συχνότητα της ταλάντωσης για σταθερό πλάτος ταλάντωσης, καθώς επίσης και όσο αυξάνουμε το πλάτος της ταλάντωσης για σταθερή συχνότητα.
Abstract (translated): Reciprocating flows are the transient oscillatory flows with zero mean velocity, which are considered to be driven by the oscillating movement of a piston. Characteristic is that the flow direction changes in every half of a period. Important issue of study is the heat transfer problem in reciprocating flows in heated tubes, which finds significant applications in heat exchangers, Stirling engines and cryocoolers. In the present study, an introduction to the way of formation and analyzation of reciprocating flows is presented, and computational simulation has been carried out for laminar reciprocating flow of incompressible air in circular tube with isothermally heated walls. The computational simulation was accomplished by the CFD analysis software ANSYS fluent 19.1. The study and the results of reciprocating flow were taking under consideration as a function of the mane parameters, which are the ratio of length to the diameter of the tube L/D, the dimensionless oscillation amplitude of fluid A0, the kinetic Reynolds number Reω and the Prandtl number. Velocity and temperature distributions along the tube were presented for different kinetic Reynolds numbers and the present of Annular effect were shown. Annular effect consists that the maximum velocity exists near the wall of the tube for laminar reciprocating flows, in contrast to the center of the tube, as it happens in unidirectional laminar flows in tubes. Finally the heat transfer from the walls of the tube to the reciprocating fluid were obtained for different values of kinetic Reynolds number, be considered by the local and local average Nusselt number. It is found that the heat transfer rate increases as both the kinetic Reynolds number and the dimensionless amplitude of oscillation increases.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Spiros Spiliotopoulos_MSc thesis.pdfMSc thesis4.62 MBAdobe PDFView/Open

This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons