مطالعه عددي اثر تغييرات گراشهف بر انتقال حرارت تركيبي جريان آرام در لوله خميده افقي بهبوددهنده انتقال حرارت وايپرتكس

Numerical Study of the Effect of Grashof Number on the Mixed Convection Heat Transfer of Laminar Flow in Horizontal Curved Enhanced Heat Transfer Vipertex Tube

اين پژوهش رفتارهاي حرارتي و هيدروديناميك جريان آرام سيال عامل آب درون لوله خميده افقي وايپرتكس، در محدوده اعداد گراشهف پايين و در محدوده انتقال حرارت جابه جايي تركيبي را به روش عددي مورد بررسي قرار داده است. اين لوله داراي خم 180درجه، شعاع انحنا بي بعد 6.62=R/D2 و زبري هاي كروي شكل با ارتفاع بي بعد 0.1=e/D و شار حرارتي ثابت روي ديواره خود است. معادلات پيوستگي، مومنتوم و انرژي با روش حجم محدود به صورت سه بعدي حل شده اند. براي حل مساله از كد ديناميك سيالات محاسباتي نرم افزار انسيس فلوئنت استفاده شده است. نتايج حاصل بيانگر تاثير عدد گراشهف و نيروهاي شناوري ناشي از آن، همچنين اثر تقابلي نيروهاي گريز از مركز و شناوري در كنار زبري سطح، روي پارامترهاي هيدروديناميك و حرارتي از جمله سرعت محوري بي بعد، جريان هاي ثانويه، دماي بي بعد، ضريب انتقال حرارت جابه جايي و ضريب اصطكاك سطحي است. به گونه اي كه در يك رينولدز ثابت با افزايش گراشهف به دليل تقابل شديدتر نيروهاي شناوري و گريز از مركز، ضريب انتقال حرارت جابه جايي كاهش مي يابد حال آن كه در لوله خميده صاف (بدون زبري) افزايش گراشهف منجر به افزايش ضريب انتقال حرارت جابه جايي مي شود. با اين وجود لوله خميده وايپرتكس در محدوده گراشهف و رينولدزهاي بسيار پايين، در هر گراشهف و رينولدز يكسان، انتقال حرارت بالاتري نسبت به لوله خميده صاف داشته است. همچنين نتايج نشان داد كه ضريب اصطكاك سطحي در اين نوع لوله ها با افزايش گراشهف مي تواند تا 3/5برابر بيشتر از مقدار آن در لوله خميده صاف باشد.

Thermal and hydrodynamic behavior of a laminar flow of water within a horizontal curved Vipertex tube with mixed convection heat transfer, in the range of low Grashof numbers, has been numerically studied. The curved horizontal Vipertex tube has geometry of 180o, fixed dimensionless radius of centerline curvature of 2R/D=6.62, dimensionless roughness height e/D=0.1, and a constant heat flux is exerted on the walls. The three-dimensional governing equations were discretized, using a finite volume method. To solve the problem, the computational fluid dynamics of ANSYS Fluent has been used. The results reveal that not only Grashof number and the buoyancy forces arising from it, but the mutual effects of the centrifugal and the buoyancy forces affect the thermal and hydrodynamic characteristics such as dimensionless axial velocity contours, secondary flow vectors, dimensionless temperature contours, heat transfer coefficient, and skin friction coefficient. So that, for a given Reynolds number, increasing Grashof number due to more interaction between buoyancy and centrifugal forces, results in temperature difference reduction in the Vipertex tube. Therefore, the buoyancy forces decrease and lead to the lower heat transfer coefficient, but in smooth curved tube increasing Grashof number leads to the higher heat transfer coefficient. Nevertheless, the Vipertex curved tube in very low range of Grashof and Reynolds, in each Grashof and Reynolds equally, has a higher heat transfer than a smooth curved pipe. The results also indicated that the skin friction coefficient in these types of tubes can be up to 3.5 times higher than that of smooth one with a Grashof increase.