Προσομοίωση μεταφοράς θερμότητας σε θερμαινόμενο κανάλι με χρήση λογισμικού υπολογιστικής ρευστομηχανικής:
Creators: name: Αργυρόπουλος, Χρήστος Νικολάου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2015
Subjects: Μεταφορά θερμότητας
Προσομοίωση
Υπολογιστική Ρευστοδυναμική
Heat transfer
Simulation
Computational Fluid Dynamics

description: Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η υπολογιστική ρευστοδυναμική προσομοίωση των διεργασιών μεταφοράς ενέργειας και ορμής σε διάταξη θερμαινόμενου καναλιού μονοφασικής ροής. Πραγματοποιήθηκε ανάλυση του προβλήματος και αναγνώριση των βασικών παραμέτρων που επηρεάζουν το σύστημα και καταστρώθηκε ένα μοντέλο υπολογιστικής επίλυσης το οποίο βασίστηκε σε πειραματικά δεδομένα. Πρωταρχικός στόχος ήταν η επίτευξη σύγκλισης πειραματικών και υπολογιστικών τιμών έτσι ώστε το μοντέλο να καταστεί αξιόπιστο στην περιγραφή των φαινομένων μεταφοράς που λαμβάνουν χώρα. Εν συνεχεία, έγινε περαιτέρω ανάλυση και αξιολόγηση των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων με στόχο την εξαγωγή συμπερασμάτων για την θερμική συμπεριφορά του καναλιού για διάφορες συνθήκες λειτουργίας. Οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν με χρήση του εμπορικού πακέτου λογισμικών ANSYS 13. Αρχικά, δόθηκε μία σφαιρική εικόνα της μετάδοσης θερμότητας σε γεωμετρίες καναλιών με την επισήμανση σχετικών βιβλιογραφικών αναφορών που σχετίζονται με εφαρμογές υπολογιστικής ρευστοδυναμικής. Ακολούθως έγινε μία σύντομη παρουσίαση του θεωρητικού υποβάθρου και των μηχανισμών μέσω των οποίων επιτελείται η μετάδοση θερμότητας. Επιπροσθέτως, έγιναν αναφορές σε θεωρητικές εκφράσεις και ορισμούς που σχετίζονται με τις μεθόδους διακριτοποίησης και επίλυσης των εξισώσεων διατήρησης, ορμής και ενέργειας. Ο σχεδιασμός των υπολογιστικών πλεγμάτων επίλυσης που αντιστοιχούν στη γεωμετρία του καναλιού πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια του λογισμικού ICEM για δισδιάστατη και τρισδιάστατη γεωμετρία. Μέσω του λογισμικού ορίστηκαν οι κατάλληλες οριακές συνθήκες για τις επακόλουθες προσομοιώσεις. Οι προσομοιώσεις βασίστηκαν σε υπάρχοντα πειραματικά δεδομένα σημειακών θερμοκρασιών. Προτάθηκε και εφαρμόστηκε μία μεθοδολογία προσέγγισης για την επιλογή και ρύθμιση των παραμέτρων των προσομοιώσεων. Πραγματοποιήθηκαν επιλύσεις δισδιάστατων γεωμετριών, οι οποίες έδωσαν ικανοποιητική προσέγγιση σημειακών θερμοκρασιών και επίσης εξάχθησαν μέσοι συντελεστές μεταφοράς για την θερμότητα που προσδίδεται στο ρευστό για μία πληθώρα περιπτώσεων. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις επιφανειακών θερμοκρασιακών πεδίων μέσω οπτικής θερμογραφικής μεθόδου και έγινε ποιοτική σύγκριση των απολεσμάτων με αντίστοιχες τρισδιάστατες προσομοιώσεις. Από την σύγκριση των θερμοκρασιακών πεδίων προέκυψαν αρκετές ομοιότητες μεταξύ των θερμοκρασιακών πεδίων που προκύπτουν αλλά και αποκλίσεις από τις ακριβείς τελικές τιμές των θερμοκρασιών.
description: The purpose of the current master thesis is the simulation of heat and mass transfer processes at a single phase flow heated channel with the help of CFD tools. There has been carried out analysis of the initial problem along with recognition of the basic parameters affecting the system and, to this direction, a computational model based on experimental data has been set up. The initial goal was to match the computational values with the experimental values for a set of given conditions, thus providing a reliable model, capable of predicting and describing the transport phenomena that take place in the heated channel. Furthermore, analysis and evaluation of the results of the simulation has been accomplished in order to deduct conclusions regarding the thermal behavior for varying working conditions. The simulations were carried out using the commercial software ANSYS 13. Initially, a series of respective references concerning CFD applications to heat transfer in channel geometries is given. Afterwards the theoretical background of heat transfer alongside with discretization techniques and methods are briefly presented. The designed computational grids correspond to 2D and 3D channel geometry. The boundary conditions were identified and specified for each solution case. The matching process of the simulated and experimental data has been carried out through comparison of point temperature at selected points in the geometry. A numerical method is proposed and applied in order to select and set up the simulation parameters. The results showed satisfying matching of the experimental values with the simulation data for the case of 2D solutions. Moreover, mean values of heat transfer coefficients for the heat transferred between the solid and fluid regions have been calculated for each different case of working conditions. Along with 2D simulations, a series of 3D simulations were also carried out, the results of which have been compared with experimental data of surface temperature measurements that were taken through an IR camera. From the comparison of the temperature fields many similarities occurred, but deviations have been observed concering the absolute values of the final temperature values.