Numerical simulations of laminar, transitional, and turbulent flow and heat transfer in continuous- and interrupted-plate channels

The long-term goal of this research is to contribute to the development of mathematical models and numerical solution methods for use as cost-effective tools in procedures for designing the next generation of compact and ultra-compact heat exchangers (core heat transfer area density exceeding 700 m^2/m^3 and 3000 m^2/m^3, respectively). Such heat exchangers are expected to play a major role in ongoing worldwide efforts to propose novel energy conversion systems. The desire to participate in such efforts is the main motivation for this work. Attention in this work was focused on rectangular offset strip-fin plate-fin core configurations. Over the last 50 years, there have been many efforts to increase the compactness of such cores. However, increasing compactness reduces the hydraulic diameter and (hence) the Reynolds number, for the same average velocity, which can lead to turbulent-to-laminar transition. These consequences of increasing compactness bring up the issue of its effect on the rate of heat transfer for a fixed pumping power. The rectangular offset strip-fin plate-fin configuration causes starting, interrupting, and restarting of both velocity and thermal boundary layers, and also possible unsteadiness and vortex shedding; and these thermofluid features bring up the issue of maximizing heat transfer for specified heat transfer surface area and fixed pumping power.The main goal of this research was to contribute to the resolution of the first of the aforementioned two issues, in a highly cost-effective manner. Thus, fins of negligible thickness and flow passages of large cross-sectional aspect ratio were assumed, and attention was limited to steady two-dimensional fluid flow and heat transfer phenomena. Air was the fluid of choice, and it was assumed that its thermophysical properties remained essentially constant. Furthermore, the Eckert number was much less than one in the problems considered here, so viscous dissipation could be ignored.Elliptic and parabolic mathematical models of developing fluid flow and heat transfer in continuous parallel-plate channels and arrays of regular staggered plates were considered. Three different low-Reynolds-number turbulence models (all capable of predicting turbulent-laminar transition with reduction in Reynolds number) were selected for comparative assessment. These mathematical models were solved using two-dimensional elliptic (2DE) and parabolic (2DP) finite volume methods (FVMs): the 2DE FVM was an adapted version of an in-house code; the 2DP FVM was specially formulated and implemented for this work, retaining the momentum equation in the direction transverse to the main flow (a novel feature of the proposed method). Mathematical models of fully developed fluid flow and heat transfer in pipes and parallel-plate channels were also considered and solved using one-dimensional FVMs. The results were compared to those yielded by available empirical correlations and also experimental data. Finally, one of the three low-Reynolds-number turbulence models and the 2DP FVM were used to simulate fluid flow and heat transfer in three actual rectangular offset strip-fin plate-fin cores of compact heat exchangers.For fully developed flows, all three low-Reynolds-number turbulence models considered in this work gave results that showed excellent agreement with those yielded by available empirical correlations and also experimental data. For developing fluid flow and heat transfer, the 2DP results compared very well with the 2DE results; however, the 2DP FVM executed 700 to 12,000 times faster than the 2DE FVM for comparable computational grids. In simulations of developing fluid flow and heat transfer in continuous-plate channels and regular arrays of staggered plates, only one of the three low-Reynolds-number turbulence models gave good results. The details of the models, numerical methods, and results, and also some recommendations, are presented and discussed in this thesis.L'objectif à long terme de cette recherche est de contribuer à les procédures numériques pour la conception de la prochaine génération d'échangeurs de chaleur compacts et ultra-compacts (densité de zone de transfert de chaleur noyau excédant 700 m^2/m^3 et 3000 m^2/m^3, respectivement). Ces échangeurs de chaleur sont appelés à jouer un rôle majeur dans les efforts mondiaux en cours pour proposer des systèmes de conversion d'énergie nouvelles. Le désir de participer à ces efforts est la principale motivation pour ce travail.L'augmentation de la compacité permet de réduire le diamètre hydraulique, et le nombre de Reynolds, pour une même vitesse moyenne, ce qui peut conduire à une transition turbulente-à-laminaire. Ces conséquences de l'augmentation compacité soulever la question de son effet sur le taux de transfert de chaleur pour une puissance de pompage fixe. Le principal objectif de cette recherche était de contribuer à la résolution cest question, d'une manière très rentable. Ainsi, des ailettes d'épaisseur et de flux passages négligeables de grand rapport d'aspect transversal ont été pris en charge, et l'attention a été limitée à des phénomènes stables d'écoulement et de fluide caloporteur à deux dimensions. L'air est le fluide de son choix, et on a supposé que les propriétés thermophysiques sont restées pratiquement constante. En outre, le nombre Eckert était beaucoup moins que l'un des problèmes considérés ici, donc la dissipation visqueuse pouvait être ignoré.Modèles mathématiques elliptiques et paraboliques de développer l'écoulement du fluide et le transfert de chaleur dans les canaux et réseaux de plaques en quinconce réguliers à plaques parallèles continues ont été pris en considération. Trois modèles bas de Reynolds nombre turbulence différents (tous capables de prédire transition turbulente-laminaire avec la réduction du nombre de Reynolds) ont été sélectionnés pour une évaluation comparative. Ces modèles mathématiques ont été résolus en utilisant elliptique à deux dimensions (2DE) et parabolique (2DP) méthodes de volumes finis (FVM): la 2DE FVM était une version adaptée d'un code interne; l'2DP FVM a été spécialement formulé et mis en œuvre pour ce travail, tout en conservant l'équation de quantité de mouvement dans la direction transversale à l'écoulement principal (une nouvelle fonctionnalité de la méthode proposée). Les modèles mathématiques de transfert d'écoulement de fluide et de la chaleur entièrement développé dans les canalisations et les canaux à plaques parallèles ont également été pris en compte et résolus en utilisant FVM unidimensionnels. Les résultats ont été comparés à ceux produits par des corrélations empiriques disponibles et également des données expérimentales. Enfin, l'un des trois modèles de turbulence à faible Reynolds nombre et la 2DP FVM ont été utilisés pour simuler l'écoulement de fluide et le transfert de chaleur en trois rectangulaires décalage réel d'échangeurs de chaleur compacts. Pour les flux entièrement développés, les trois modèles de turbulence à faible Reynolds nombre jugé dans ce travail a donné des résultats qui ont montré un excellent accord avec ceux produits par des corrélations empiriques disponibles et également des données expérimentales. Pour le développement de l'écoulement du fluide et le transfert de chaleur, les résultats comparés 2DP très bien avec les résultats 2DE; cependant, le 2DP FVM exécuté 700 à 12.000 fois plus rapide que la 2DE FVM pour les grilles de calcul comparables. Dans les simulations d'écoulement de fluide et le développement de transfert de chaleur dans les canaux en continu de plaques et de plaques réseaux réguliers en quinconce, un seul des trois modèles de turbulence à faible nombre de Reynolds, a donné de bons résultats. Les détails des modèles, méthodes numériques, et les résultats, ainsi que des recommandations, sont présentés et discutés dans cette thèse