Experimental investigation of turbulent flow and heat transfer around a single rod for different rod-wall spacings
Dissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Faculdade UnB Gama, Programa de Pós-Graduação em Integridade de Materiais da Engenharia, 2021.
| Main Author: | Kayser, Fábio Matos |
|---|---|
| Other Authors: | Goulart, Jhon Nero Vaz |
| Format: | Dissertação |
| Language: | Inglês |
| Published: |
2022
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| Subjects: | |
| Online Access: |
https://repositorio.unb.br/handle/10482/42900 |
| Tags: |
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ir-10482-42900 |
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ir-10482-429002022-02-15T13:02:31Z Experimental investigation of turbulent flow and heat transfer around a single rod for different rod-wall spacings Kayser, Fábio Matos Goulart, Jhon Nero Vaz Guellouz, Mohamed Sadok Transferência de calor Estruturas coerentes Feixe de tubos Anemometria de fio quente Analogia de Reynolds-Colburn Dissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Faculdade UnB Gama, Programa de Pós-Graduação em Integridade de Materiais da Engenharia, 2021. Escoamentos turbulentos através de feixes de tubos ou canais compostos são caracterizados pela presença de estruturas de grande escala que transportam energia e momento, podendo afetar significamente o processo de mistura e a transferência de calor nos subcanais. Esse tipo de estrutura turbulenta pode ser identificada por instabilidades na flutuação de certas variáveis do escoamento e por picos de energia com uma frequencia característica na análise espectral. Escoamentos turbulentos em feixes de tubos ou canais compostos são vistos principalmente em reatores nucleares e trocadores de calor e, ainda, em canais abertos com margens laterais. Nesse sentido, o entendimento apropriado dos movimentos de grande escala nos canais mencionados é importante para corretamente predizer a transferência de calor e possíveis consequencias estruturais geradas por vibrações induzidas pelo escoamento. O presente trabalho almeja avaliar experimentalmente a influência da razão W/D na dinâmica do escoamento e na transferência de calor por convecção em um canal composto rectangular que contém um tubo cilindrico com os lados fechados. W é soma entre o diâmetro do tubo e a largura da fenda, D é o diâmetro do tubo. O tubo é aquecido localmente por uma célula alimentada por uma resistência cartucho. Uma sonda simples de anemometria de fio quente foi empregada para adquirir a valocidade media, flutuação de velocidade e espectro. Os coeficientes de transferência de calor foram determinados a partir de temperaturas medidas por termopares na superfície da célula aquecida. O coeficiente de atrito local foi medido em volta do tubo por um tubo de Preston e a partir desse resultado foi possível avaliar a analogia de Reynolds-Colburn. Os experimentos foram realizados para um número de Reynolds, ReDh, em torno de 40000 e para as larguras adimensionais de fenda W/D = 1.050, 1.100, 1.150 and 1.200. Os contornos de velocidade média apresentaram formas similares às observadas na literatura. Os menores valores foram encontrados próximos à região da fenda e os maiores estão na parte central do subcanal. Para W/D = 1.050, 1.100 and 1.200 a máxima velocidade media foi de Ū/Ub = 1.30. No caso de W/D = 1.150, o valor máximo de velocidade axial foi Ū/Ub = 1.20, um pouco menor em comparação as outras fendas. O u-RMS apresentou seus maiores valores na região da fenda e os menores na região mais larga do canal. As funções de densidade espectral e autocorrelação avalidas na região da fenda indicam que a dinâmica do escoamento nas menores fendas (W/D = 1.050 and 1.100) está sob forte influência de estruturas coerentes de grande escala, conforme observado através dos picos no espectro e das oscilações na função de autocorrelação até a posição z/D = 0.30. Para o tubo fechado, o número de Strouhal obtido foi maior do que os valores encontrados na literatura. Contudo, quando um novo experimento foi realizado usando um tubo vazado, a frequência e o número de Strouhal obtidos se mostraram de acordo com o encontrado na literatura. As distribuições de temperatura e de numero de Nusselt foram similares ao apresentado por autores anteriores. O menor valor de número de Nusselt foi encontrado na região da fenda. Ao passo que W/D aumenta, o local de menor número de Nusselt fica mais próximo da fenda estreita. O local em que a convecção é minima parace ser influenciado pelas estruturas coerentes. A transferência de calor também foi avaliada por meio da determinação do J-factor, o qual se mostrou de acordo com os resultados experimentais encontrados na literatura. Foi observado que os valores do coeficiente de atrito mudam substancialmente conforme a razão W/D aumenta e apresentam quase a mesma distribuição do número de Nusselt. A analogia de Reynolds-Colburn mostrou um comportamente linear, independente da razão W/D. A analogia pode ser usada como uma forma alternativa para determiner o coeficiente de transferência de calor. Fundação de Apoio a Pesquisa do Distrito Federal (FAPDF) e Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES). Turbulent flows through rod bundles or compound channels are characterized by the presence of large-scale structures that transport energy and momentum and can strongly affect the mixing and the heat transfer in the subchannels. This kind of turbulent structures can be identified by instabilities in the fluctuation quantities of the flow and by energy peaks with a characteristic frequency in the spectral analysis. Turbulent flows in rod bundles or compound channels are mainly seen in nuclear reactors and heat exchangers and even, in open channels with lateral floodplains. In this sense, the appropriate understanding of the large-scale motions in the mentioned channels is important to correctly predict the heat transfer and possible structural consequences generated by the flow inducing vibration. The present work aims to experimentally assess the influence of the W/D - ratio on the flow dynamics and the convective heat transfer in a compound rectangular channel containing a single cylindrical rod with both sides closed. W is the sum between the rod’s diameter and the gap width, D is the rod’s diameter. The rod is heated locally by a specially design cell powered by a cartridge resistance. A single hot-wire anemometry probe was employed to gather the data of mean average velocity, velocity fluctuation and spectra. The heat transfer coefficients were determined by using the temperature measured by thermocouples at the heated cell surface. The local skin friction coefficient was measured around the rod by a Preston tube and employed to verify the Reynolds-Colburn analogy. The experiments were performed for a Reynolds number, ReDh, around 40000 and the dimensionless gap spacings W/D = 1.050, 1.100, 1.150 and 1.200. The mean velocity isocontours were very similar in shape to those observed in the previous literature. The lower values, of these quantities, were found near the gap vicinity and the highest are in the subchannel center. For W/D = 1.050, 1.100 and 1.200 the maximum mean veleocity was Ū/Ub = 1.30. In the case of W/D = 1.150, the maximum mean axial velocity was Ū/Ub = 1.20, a little bit lower in comparison to the other gaps. The u-RMS presented their highest values in the gap vicinity and lowest in the wider region of the channel. The spectral density and autocorrelation functions evaluated in the vicinity of the gap indicate that the flow dynamics in the lowest gaps (W/D = 1.050 and 1.100) is under strong influence of large-scale coherent structures, as observed through the pronounced peaks in the spectra and the oscillations in the autocorrelation function up to the position z/D = 0.30. For the closed rod, the obtained Strouhal number was higher than the literature values. However, when a new experimental campaign was carried out using a hollow rod the obtained frequency and the Strouhal number are in quite good agreement with the open literature. The temperature and the Nusselt number distributions were similar to those presented by previous authors. The lowest value for the Nusselt number was found in the gap vicinity. As W/D became wider, the location of the minimum Nusselt number became closer to the narrow gap. The location of the minimum convection in the channel seems to be influenced by the coherent structures. The heat transfer was also assessed by determining the J-factor, which presented good agreement with the experimental results found in the literature. It was observed that the values of the skin friction coefficient strongly change as the W/D – ratio increases and has almost the same distribution of the Nusselt number. The Reynolds-Colburn analogy showed a linear behaviour, regardless the W/D ratio. The analogy can be used as an alternative way to determine the heat transfer coefficient. 2022-02-15T13:02:30Z 2022-02-15T13:02:30Z 2022-02-15 2021-11-23 Dissertação KAYSER, Fábio Matos. Experimental investigation of turbulent flow and heat transfer around a single rod for different rod-wall spacings. 2021. 99 f., il. Dissertação (Mestrado em Integridade de Materiais da Engenharia) — Universidade de Brasília, Brasília, 2021. https://repositorio.unb.br/handle/10482/42900 Inglês Acesso Aberto 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. application/pdf |
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