Numerische Simulation des Wärmeübergangs turbulenter Strömung in Rohren mit mikrostrukturierter Oberfläche
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Date
2024-03-25
Authors
Kügele, Simon
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publication Type
Dissertation
Published in
Abstract
In dieser Arbeit werden numerische Strömungssimulationen durchgeführt, um den Wärmeübergang und den Druckverlust in mikrostrukturierten Rohren zu untersuchen und ist in Kooperation mit den Wieland Werken AG enstanden. Um eine möglichst detaillierte Betrachtung von Strömung und Wärmeübergang zu ermöglichen, wird eine LES (engl. Large Eddy Simulation) verwendet. Im Vergleich zu Experimenten ist es durch Simulationen möglich, die Strömungseffekte im Inneren des Rohres zu analysieren.
Im ersten Schritt wird das verwendete numerische Simulationsmodell validiert. Dafür wird die Strömung eines Glattrohrs mit Literaturdaten verglichen. Verschiedene Turbulenzmodelle werden getestet sowie Untersuchungen zur turbulenten Prandtl Zahl durchgeführt. Anschließend wird ein helikal mehrfach geripptes Rohr simuliert und mit Messdaten der Wieland Werke AG verglichen. Für diese Gegenüberstellung stehen nur integrale Werte für Druckverlust und Wärmeübergang zur Verfügung. In der anschließenden Validierung werden lokale Profile der Geschwindigkeit, Geschwindigkeitsfluktuationen und des Wärmeübergangs verwendet. Die dafür verwendete Rohrgeometrie besteht aus einer helikalen Rippe, welche kontinuierlich unterbrochen ist und somit eine dreidimensionale Struktur darstellt. Die Berechnungen beweisen, dass das Setup in der Lage ist, die physikalischen Vorgänge der Rohrströmung sowohl für globale als auch lokale Größen korrekt abzubilden.
Das Setup wird verwendet, um den Wärmeübergang und Druckverlust in mikrostrukturierten Rohren zu untersuchen und um die Strukturen im Rohr zu optimieren. Bei den verwendeten Strukturen werden einzelne Späne aus mehrfach gerippten Rohren geschnitten, wodurch eine komplexe dreidimensionale Struktur generiert wird. Mit Hilfe der Simulationen wird ein großer Einfluss der Anordnung der Späne in Strömungsrichtung festgestellt. Eine Anordnung der Späne in Reihe führt zu einer Reduzierung von Druckverlust und strömungstechnischen Wärmeübergang. Durch eine Vergrößerung der wärmeübertragenden Fläche kann die Reduktion des strömungstechnischen Wärmeübergangs ausglichen werden. Aus diesem Grund wird die Rippendicke erhöht, wodurch bei der Fertigung dickere Späne und eine erhöhte Fläche der Innenstruktur entsteht. Daraus resultiert eine Rohrgeometrie, bei welcher der Druckverlust reduziert werden kann und der Wärmeübergang durch die vergrößerte Fläche nicht verschlechtert wird.
Diese Erkenntnisse werden für die Entwicklung neuer Prototypen genutzt, welche mit dem Stand der Technik derzeit produzierbar sind. Dafür wird ein Simulationsverfahren verwendet, das die Struktur der Rohre prognostiziert und ebenfalls an der Technischen Hochschule Ulm entwickelt wurden. Die prognostizierten Strukturen werden für die Strömungssimulation aufbereitet und anschließend berechnet.
In bisherigen Arbeiten werden ausschließlich einfache Innenstrukturen oder idealisierte Rohrgeometrien mit Hilfe von Strömungssimulationen untersucht. Die vorliegende Arbeit soll belegen, dass es möglich ist, eine Untersuchung und Verbesserung der betrachteten Rohrgeometrien mit Hilfe von CFD an produzierbaren Strukturen durchzuführen. Dadurch sollen die komplexen Phänomene der Strömung und des Wärmeübergangs innerhalb der Mikrostrukturen in Zukunft an realen Geometrien einfach und schneller optimiert werden können.
Die Resultate und Analysen dieser Arbeit konnten zeigen, dass es möglich ist, eine vollständige virtuelle Produktentwicklung für die Bestimmung von Wärmeübergang und Druckverlust in mikrostrukturierten Rohren durchzuführen. In Zukunft sollen die Strömungssimulationen die Anzahl der notwendigen Experimente reduzieren und somit den Entwicklungsprozess der Wärmeübertragerrohre beschleunigen. Des Weiteren soll die hier erarbeite Methodik auf die Weiterentwicklung anderer Bereiche ausgeweitet werden.
In this thesis numerical flow simulations are performed to investigate heat transfer and pressure drop in microstructured pipes and has been developed in cooperation with Wieland Werke AG. LES (Large Eddy Simulation) is used to provide the most detailed view of flow and heat transfer. Compared to experiments, simulations make it possible to analyze the flow effects inside the tube. In the first step, the numerical simulation model used is validated. For this purpose, the flow of a smooth pipe is compared with literature data. Different turbulence models are tested and investigations on the turbulent Prandtl number are performed. Subsequently, a helically multi-ribbed pipe is simulated and compared with measured data from Wieland Werke AG. For this comparison, only integral values for pressure drop and heat transfer are available. For the subsequent validation, local profiles of velocity, velocity fluctuations and heat transfer are used. The pipe geometry used for this purpose consists of a helical rib, which is continuously interrupted and thus represents a three-dimensional structure. The calculations prove that the setup is able to correctly represent the physical processes of the tube flow for both global and local quantities. The setup is used to study heat transfer and pressure drop in microstructured pipes and to optimize the structures in the pipe. The structures used involve cutting individual chips from multiple corrugated pipes, generating a complex three-dimensional structure. Using simulations, a large influence of the arrangement of the shavings in the direction of flow is observed. Arranging the shavings in alignment leads to a reduction in pressure drop and fluidic heat transfer. By increasing the heat transfer area, the reduction in fluidic heat transfer can be compensated. For this reason, the rib thickness is increased, resulting in thicker shavings and an increased area of the internal structure during manufacturing. This results in a pipe geometry in which the pressure drop can be reduced and the heat transfer is not decreased by the increased surface area. These findings are used for the development of new prototypes, which are currently producible with the state of the art. For this purpose, a simulation method is used that predicts the structure of the tubes and was also developed at the Technical University of Ulm. The predicted structures are prepared for the flow simulation and then calculated. In previous work, only simple internal structures or idealized pipe geometries have been investigated using flow simulations. This thesis aims to prove that it is possible to investigate and improve the considered tube geometries also on manufacturable structures. As a result, the complex phenomena of flow and heat transfer within the microstructures should be able to be optimized more easily and quickly on real geometries in the future. The results and analyses of this work were able to show that it is possible to perform a complete virtual product development for the determination of heat transfer and pressure drop in microstructured tubes. In the future, the flow simulations should reduce the number of experiments required and thus accelerate the heat exchanger tube development process. Furthermore, the methodology developed here will be extended to the further development of other fields.
In this thesis numerical flow simulations are performed to investigate heat transfer and pressure drop in microstructured pipes and has been developed in cooperation with Wieland Werke AG. LES (Large Eddy Simulation) is used to provide the most detailed view of flow and heat transfer. Compared to experiments, simulations make it possible to analyze the flow effects inside the tube. In the first step, the numerical simulation model used is validated. For this purpose, the flow of a smooth pipe is compared with literature data. Different turbulence models are tested and investigations on the turbulent Prandtl number are performed. Subsequently, a helically multi-ribbed pipe is simulated and compared with measured data from Wieland Werke AG. For this comparison, only integral values for pressure drop and heat transfer are available. For the subsequent validation, local profiles of velocity, velocity fluctuations and heat transfer are used. The pipe geometry used for this purpose consists of a helical rib, which is continuously interrupted and thus represents a three-dimensional structure. The calculations prove that the setup is able to correctly represent the physical processes of the tube flow for both global and local quantities. The setup is used to study heat transfer and pressure drop in microstructured pipes and to optimize the structures in the pipe. The structures used involve cutting individual chips from multiple corrugated pipes, generating a complex three-dimensional structure. Using simulations, a large influence of the arrangement of the shavings in the direction of flow is observed. Arranging the shavings in alignment leads to a reduction in pressure drop and fluidic heat transfer. By increasing the heat transfer area, the reduction in fluidic heat transfer can be compensated. For this reason, the rib thickness is increased, resulting in thicker shavings and an increased area of the internal structure during manufacturing. This results in a pipe geometry in which the pressure drop can be reduced and the heat transfer is not decreased by the increased surface area. These findings are used for the development of new prototypes, which are currently producible with the state of the art. For this purpose, a simulation method is used that predicts the structure of the tubes and was also developed at the Technical University of Ulm. The predicted structures are prepared for the flow simulation and then calculated. In previous work, only simple internal structures or idealized pipe geometries have been investigated using flow simulations. This thesis aims to prove that it is possible to investigate and improve the considered tube geometries also on manufacturable structures. As a result, the complex phenomena of flow and heat transfer within the microstructures should be able to be optimized more easily and quickly on real geometries in the future. The results and analyses of this work were able to show that it is possible to perform a complete virtual product development for the determination of heat transfer and pressure drop in microstructured tubes. In the future, the flow simulations should reduce the number of experiments required and thus accelerate the heat exchanger tube development process. Furthermore, the methodology developed here will be extended to the further development of other fields.
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Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Informatik und Psychologie
Institutions
Institut für Chemieingenieurwesen
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Large Eddy Simulation, CFD, Wärmeübertragung, Rohrströmung, Numerische Strömungssimulation, LES <Strömung>, Heat; Transmission, Pipe; Fluid dynamics, Computational fluid dynamics, DDC 530 / Physics, DDC 500 / Natural sciences & mathematics