Numerical analysis of finned-tubes and finned-tube bundles

Målet for denne masteravhandlingen er å bruke numerisk fluiddynamikk (CFD) til å undersøke varmeovergang og trykktap for luftsiden av finnede rør og finnede rørbunter i programmet OpenFOAM. De finnede rørene som er undersøkt har en liten rørdiameter for å spare vekt. Detter er nødvendig fordi rørene skal brukes i offshore gjenvinning av spillvarme (WHRU). Til denne bruken er lav vekt og lavt volum viktig. Dette krever en optimalisering av designet, og for en slik optimalisering er forståelse for hvordan den lokale varmeoverføringen oppfører seg viktig. Her kan numerisk fluiddynamikk være et godt verktøy. Arbeidet i denne avhandlingen er en fortsettelse på arbeidet gjort i prosjektavhandlingen. I prosjektavhandlingen ble en numerisk modell for en rad av runde heltrukne finnede rør utviklet. En oppdatert versjon av denne modellen ble brukt i denne avhandlingen. Først til å undersøke mesh/grid avhengighet, så til å undersøke forskjeller mellom noen passende turbulensmodeller. Disse undersøkelsen viste at y^+_p bør ha en verdi lavere enn to, noe som samsvarer med anbefalinger funnet i litteraturen. y^+_p er her en størrelse brukt til å beskrive en dimensjonsløs avstand fra en vegg til det første gridpunktet. Utfra resultatene for de forskjellige turbulensmodeller ble Spalart-Allmaras turbulensmodellen valgt. Denne modellen ble valgt fordi den er stabil og enkel, uten at det påvirker nøyaktigheten i resultatet signifikant. Disse resultatene ble så brukt til å utvikle en full rørbunt modell, denne hadde i utgangspunktet åtte rørrekker. En del problemer oppstod i genereringen av et grid til full rørbunt simuleringene. Disse problemene med å genere et godt grid resulterte i at Reynolds-tallet måtte ha en øvre begrensning på Re=5500 for alle simuleringene. Tre simuleringer ble kjørt på dette åtterekkers simulerings domenet. En feil ble gjort da geometriene ble tegnet som gjorde at annenhver rekke var forskjøvet. Trykktap og varmeovergangsresultatene er fremdeles innenfor feilbandet til korrelasjonene som ble brukt for å validere modellen. Varmeovergangen rekke for rekke oppførte seg derimot annerledes enn hva som er forventet utfra resultater i litteraturen. Rekke for rekke resultatene fra simuleringene var tenkt som hjelp til å bestemme hvor mange rørrekker som skulle modelleres i resten av avhandlingen. Siden det vare en feil i geometrien, ble det i stedet tatt en bestemmelse ved hjelp av resultater i litteraturen. Fra disse ble det bestemt å fortsette med fem rørrekker. En undersøkelse av geometriparametere ble gjennomført med et Reynolds-tall på Re=5500. Disse undersøkelsen ble alle gjort med en modifisert versjon av den fulle rørbunt modellen med fem rørrekker. For å ha et bedre grunnlag for å sammenligne ble en ny fem rekkers simulering med den originale geometrien gjennomfør. Sammenlignet med åtterørs simuleringen hadde denne fem rørs simuleringen et varmeovergangstall som var 26% lavere. Hvorfor dette vare tilfelle er ikke oppklart, men forskjeller i mesh-kvalitet virker sannsynlig. Geometri parameterne som ble undersøkt var finnetuppklaring, finne avstand/pitch og rørbunt konfigurasjon. De numeriske resultatene for de forskjellige parameterne ble sammenlignet med eksisterende litteratur. Fordelingen av varmeovergangstallet over finnene ble også sammenlignet. Dette ble gjort for å bedre forstå hvordan varmeovergangen blir påvirket av geometriforandringene. Et litteraturstudium om fordelingen av varmeovergangstallet over en finne ble også gjennomført. Resultater for hvordan varmeovergangstallsfordelingen blir påvirket av geometriforandringer er ikke funnet i litteraturen, og er dermed noe nytt denne avhandlingen tilbyr. Mulige forklaringer på de forskjellige oppførselene sett i resultatene for geometriforandringene er foreslått. Videre arbeid trengs derimot til å bekrefte om oppførselene er rette og hva som faktisk ligger til grunne for dem. Simuleringene i denne avhandlingen er kjørt på en stasjonær PC utlånt av instituttet for Energi og Prosessteknikk (EPT), og på IDUN/EPIC regne-clusteret på NTNU. En redusert domene modell for en full rørbunt med sykliske grensebetingelser i strømningsretningen ble også undersøkt. Implementeringen av denne var ikke suksessfull