Heat transfer in turbulent channel flow with roughness on the walls: numerical simulation

Abstract

Reynolds Average Navier Stokes (RANS) simulations are performed to study a turbulent channel flow with different roughness on the lower and upper walls. Several roughness were used. Square Bars, V-shaped and segmented V-shaped with a p/e ratio equal to 1, 3, 5, 8, 10 and 15, where e is the bar height and p is the longitudinal separation between consecutive bars. The height of the turbulators was choose e/H = 0.25, where H is the channel half-height. The V-shaped and segmented V-shaped turbulators have an inclination angle with respect to the flow direction of 45◦. For the segmented V-shaped turbulators case the used gap size was G/H = 0.2 (where G is the width of the space in the middle of the ribs). The different types of roughness analyzed showed the most efficient cases for each roughness geometry. For the square Bars turbulators a pitch to height ratio, p/e equal to 10 presents the highest Nusselt number (Nu). For the V-shaped turbulators the most efficient configuration is that with p/e = 5. The segmented V-shaped turbulators present the highest Nu when compared with all the geometries considered. The p/e = 3 configuration leads to the highest convective heat transfer. This is due to the vortices created at the sidewalls that eject the heat out of the turbulator cavity.

Una simulación de Reynolds Average Navier Stokes (RANS) fue realizada para estudiar un canal con flujo turbulento con diferentes rugosidades en la pared de arriba y abajo. Diferentes rugosidades fueron utilizadas, barras cuadradas, barras en forma de V y barras en forma de V segmentadas con un radio p/e igual a 1, 3, 5, 8, 10 y 15, donde e es el alto de la barra y p es la separación longitudinal entre barras consecutivas. La altura de los turbuladores fue seleccionada como e/H = 0.25, donde H es la altura de la mitad del canal. Los turbuladores de barras en forma de V y barras en forma de V segmentadas tienen un ángulo de inclinación con respecto a la dirección del fluido de 45◦. Para los turbuladores de barras en forma de V segmentadas el tamaño de la brecha en el medio de los turbuladores es G/H = 0.2, donde G es el ancho del espacio entre las barras. Los diferentes tipos de rugosidades analizados mostraron el caso más eficiente para cada geometría de rugosidades. Para los turbuladores de barras cuadradas el radio de largo con respecto a altura de p/e = 10 presento el mayor número de Nusselt. Para los turbuladores de barras en forma de V la configuración más eficiente es aquella con p/e = 5. Los turbuladores de barras en forma de V segmentadas presento el mayor Nu cuando es comparado con todos los casos de rugosidades. La configuración de p/e = 3 presento la mayor transferencia de calor convectiva. Esto es causado por los vórtices creado en las pareces de los lados que expulsan el calor hacia afuera de la cavidad de los turbuladores.