This study aims to investigate the effect of a vortex generator (VG) on the flow-thermal flowfield of a rectangular pipe in turbulent flow. The main objective is to enhance the heat transfer in the pipe with as low pressure drops as possible. In the context of this research, different ratios between the dimensions of the pipe and the width of the Vortex Generator were tested, as well as different Reynolds numbers at the inlet of the pipe.
The study starts by introducing the fundamental principles of fluid dynamics and heat transfer, discussing the different types of flow, the boundary layer, and vortices, leading to the concept of Vortex Generators. It also provides an overview of computational fluid dynamics and the Ansys Fluent simulation software used in the study.
The study then proceeds with presenting the process of the construction of the pipe and VG geometry and the generation of the mesh. The VG used in this study is of a flat blade type, cross-section shape, inclined. Specifically, the study was carried out for 6 different ratios between the dimensions of the pipe and the width of the VG. (Pipe aspect ratio: height/width: 3/2, 2/2, 1/2, with a blade width to pipe width ratio equal to 0.1 and 0.05.) For the discretization of the geometry, a mesh independence study was conducted.
The solution was then determined. Here, the k-e Realizable turbulence model was selected, and the boundary conditions were defined. The walls of the pipe are at a constant temperature, transferring heat to the fluid. Four different Reynolds numbers were tested at the inlet of the pipe: 5.000, 10.000, 15.000, 20.000.
Finally, the results were analyzed, conclusions were drawn and recommendations were made for future studies. In all of the investigations, the corresponding diagrams were constructed for better understanding of the results.
Αυτή η μελέτη έχει στόχο την διερεύνηση της επίδρασης μιας γεννήτριας δινών (Vortex Generator – VG) στο ροϊκό και θερμικό πεδίο ενός αγωγού ορθογωνικής διατομής σε τυρβώδη ροή. Κατ’ επέκταση, βασικό σκοπό της έρευνας αποτελεί η βελτίωση της μεταφοράς θερμότητας στο αγωγό, με όσο το δυνατόν χαμηλότερες απώλειες πίεσης. Στα πλαίσια αυτής της έρευνας δοκιμάστηκαν υπολογιστικά διαφορετικοί λόγοι μεταξύ των διαστάσεων διατομής του αγωγού και του πλάτους του Vortex Generator καθώς και διαφορετικοί αριθμοί Reynolds στην είσοδο του αγωγού.
Αρχικά, γίνεται παρουσίαση της βασικής θεωρίας της ρευστομηχανικής και μετάδοσης θερμότητας. Γίνεται λόγος για τα διάφορα είδη ροής, το οριακό στρώμα, τον στροβιλισμό καταλήγοντας στα Vortex Generators. Επιπλέον, γίνεται εισαγωγή στην υπολογιστική ρευστοδυναμική και στο περιβάλλον του υπολογιστικού πακέτου Ansys Fluent το οποίο χρησιμοποιήθηκε για τις προσομοιώσεις.
Στην συνέχεια, παρουσιάζεται η διαδικασία της κατασκευής της γεωμετρίας του αγωγού και του VG και η διακριτοποίηση αυτής. Το VG που χρησιμοποιήθηκε στην μελέτη αυτή είναι τύπου επίπεδου ελάσματος, μορφής σταυρού, υπό κλίση. Συγκεκριμένα, η μελέτη έγινε για 6 διαφορετικούς λόγους μεταξύ των διαστάσεων διατομής του αγωγού και του πλάτους του VG. (Λόγος διαστάσεων διατομής αγωγού: ύψος/πλάτος: 3/2, 2/2, 1/2, με λόγο πλάτους ελάσματος προς πλάτος αγωγού να ισούται με 0,1 και 0,05) Για την διακριτοποίηση της γεωμετρίας έγινε μελέτη ανεξαρτητοποίησης του πλέγματος.
Έπειτα, πραγματοποιείται ο προσδιορισμός της λύσης. Εδώ επιλέχθηκε το μοντέλο τύρβης k-e Realizable και ορίστηκαν οι συνοριακές συνθήκες. Τα τοιχώματα του αγωγού βρίσκονται σε σταθερή θερμοκρασία, μεταφέροντας θερμότητα στο ρευστό. Στην είσοδο δοκιμάστηκαν 4 διαφορετικοί αριθμοί Reynolds: 5.000, 10.000, 15.000, 20.000.
Τέλος, γίνεται ανάλυση των αποτελεσμάτων, εξαγωγή των συμπερασμάτων και συστήνονται προτάσεις για περεταίρω έρευνα. Σε όλες τις διερευνήσεις κατασκευάστηκαν τα αντίστοιχα σχεδιαγράμματα για την καλύτερη κατανόηση των αποτελεσμάτων.
Πανεπιστήμιο Πατρών
