noot, mj & mattheij, r.m.m. - numerical analysis of turbine blade cooling ducts [eindhoven uni 19

8/22/2019 Noot, MJ & Mattheij, R.M.M. - Numerical Analysis of Turbine Blade Cooling Ducts [Eindhoven Uni 19

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N u m e r i c a l A n a l y s i s o f T u r b i n e B l a d e C o o l i n g D u c t s

M . J . N o o t a n d R . M . M . M a t t h e i j

E i n d h o v e n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , D e p t . o f M a t h e m a t i c s a n d C o m p u t i n g S c i e n c e ,

P . O . B o x 5 1 3 , 5 6 0 0 M B E i n d h o v e n , T h e N e t h e r l a n d s

M a r c h 2 , 1 9 9 8

A b s t r a c t

T h e c o o l i n g o f t u r b i n e b l a d e s i n t u r b i n e s i s e n h a n c e d b y p r o v i d i n g

t h e c o o l i n g d u c t s w i t h r i b s , s o - c a l l e d t u r b u l a t o r s . I t i s i n v e s t i g a t e d

h o w t h e s e r i b s i n u e n c e t h e h e a t t r a n s f e r o f t h e c o o l i n g a i r o n t h e

b l a d e s . A m o d e l i s g i v e n t o s t u d y t h i s p r o b l e m s u c h t h a t i t l e n d s i t s e l f

t o a n u m e r i c a l a p p r o a c h . A d e t a i l e d d i s c u s s i o n i s g i v e n o f t h e p r o b l e m

i n v o l v e d . I t i s s h o w n h o w t h e i d e a s a r e i m p l e m e n t e d i n a n u m e r i c a l

c o d e . T h e r e s u l t s o f t h e s i m u l a t i o n s a r e a s s e s s e d s h o w i n g a p r a c t i c a l

w a y t o t e s t t h e q u a l i t y o f t h e s e c o o l i n g d u c t s .

1 I n t r o d u c t i o n

G a s t u r b i n e s p l a y a n i m p o r t a n t r o l e i n a v i a t i o n a n d i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s .

T h e r e i s a g r o w i n g t e n d e n c y t o u s e h i g h e r t e m p e r a t u r e s a t t h e i n l e t o f t h e

t u r b i n e t o i m p r o v e t h e e c i e n c y o f t h e g a s t u r b i n e e n g i n e . C o n s e q u e n t l y

t h e h e a t l o a d o n t h e t u r b i n e c o m p o n e n t s i n c r e a s e s , e s p e c i a l l y i n t h e h i g h

p r e s s u r e t u r b i n e s e c t i o n . T h i s h e a t l o a d i s c a u s e d b y t h e e x p o s u r e t o a n

e n o r m o u s h e a t u x o f t h e b u r n t g a s f r o m t h e c o m b u s t i o n c h a m b e r . A s a

r e s u l t t h e l i f e t i m e e x p e c t a n c y o f a b l a d e c a n b e r e d u c e d s i g n i c a n t l y . I n

o r d e r t o c o m p l y w i t h m o d e r n s a f e t y s t a n d a r d s t h e b l a d e s i n g a s t u r b i n e s

n e e d t o b e c o o l e d .

U s u a l l y t h e m a i n o b j e c t i v e i n t u r b i n e b l a d e c o o l i n g i s t o a c h i e v e m a x -

i m u m h e a t t r a n s f e r w h i l e m i n i m i z i n g t h e c o o l a n t o w r a t e . C o o l a n t a i r i s

r o u t e d t h r o u g h t u r b u l a t e d p a s s a g e s w i t h i n t h e b l a d e t h u s i t r e m o v e s h e a t

f r o m t h e b l a d e b y c o n v e c t i o n . T h e w a l l s o f t h e p a s s a g e h a v e r i b b e d s u r -

f a c e s t o i m p r o v e t h e c o o l i n g e c i e n c y o f t h e a i r o w . T h e s e r i b s a r e c a l l e d

1


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s u c t i o n s i d e

p r e s s u r e s i d e

c o o l i n g a i r

b u r n t g a s

F i g u r e 1 : T u r b i n e b l a d e w i t h c o o l i n g h o l e s

t u r b u l e n c e p r o m o t e r s o r t u r b u l a t o r s ( s e e g u r e 1 ) . H e r e a n i n t e r e s t i n g d e -

s i g n o r e n g i n e e r i n g p r o b l e m o c c u r s . H o w d o e s t h e s h a p e a n d d i s t r i b u t i o n

o f t h e t u r b u l a t o r s i n u e n c e t h e o v e r a l l h e a t t r a n s f e r ? I t i s k n o w n t h a t i n

a t u r b u l e n t o w t h e h e a t t r a n s f e r i s c o n s i d e r a b l y h i g h e r t h a n i n a l a m i n a r

o w a n d f o r t u r b u l a t e d h o l e s a l s o t h e a r e a o f c o n t a c t s u r f a c e b e t w e e n m e t a l

a n d c o o l i n g a i r i s i n c r e a s e d . A n o t h e r f a c t o r i s t h e a m o u n t o f c o o l i n g a i r

t h a t i s n e e d e d t o a c h i e v e a c e r t a i n l e v e l o f h e a t t r a n s f e r . I t i s c l e a r t h a t f o r

t u r b u l a t e d h o l e s l e s s c o o l i n g a i r i s n e e d e d t h a n f o r s m o o t h - w a l l e d h o l e s .

I n t h i s p a p e r w e s h a l l c o n s i d e r , f o r l o w f r e q u e n c y g a s t u r b i n e s , t h i s

c o o l i n g p r o c e s s i n s o m e d e t a i l a n d d e s c r i b e a m o d e l t o s i m u l a t e t h e h e a t

e x c h a n g e , r e s u l t i n g i n a c t u a l l y p r e d i c t i n g N u s s e l t n u m b e r s i n v a r i o u s s i t u a -

t i o n s . T h e p a p e r i s b u i l t u p a s f o l l o w s . I n s e c t i o n 2 w e d e r i v e t h e m o d e l d e -

s c r i b i n g t h i s c o o l i n g p r o c e s s . A c e n t r a l e q u a t i o n i s o f c o u r s e N a v i e r - S t o k e s .

T h e n u m e r i c a l a s p e c t s o f s o l v i n g t h e m a r e c o n s i d e r e d i n s e c t i o n 3 . I n s e c t i o n

4 w e p e r f o r m a n d a n a l y s e s i m u l a t i o n s f o r u n s t e a d y l a m i n a r o w , p a y i n g s p e -

c i a l a t t e n t i o n t o t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s . F i n a l l y , i n s e c t i o n 5 w e g i v e t h e

r e s u l t s f o r t u r b u l e n t o w e n a b l i n g u s t o q u a n t i f y t h e a c t u a l h e a t t r a n s f e r .

2 M o d e l l i n g

W e r s t c o n s i d e r t h e p h y s i c a l m o d e l , i n d i c a t i n g t h e c o n d i t i o n s u n d e r w h i c h

o u r a p p r o a c h m a k e s s e n s e . T h e n w e d e r i v e t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l , i . e .

t h e g o v e r n i n g e q u a t i o n s w h i c h w i l l b e u s e d f o r t h e s i m u l a t i o n . T h e n t h i s i s

m a d e d i m e n s i o n l e s s i n o r d e r t o a s s e s s t h e v a r i o u s c o n t r i b u t i n g t e r m s , w h i c h

2


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i s t h e n u s e d t o d e r i v e t h e p r o p e r e q u a t i o n s .

2 . 1 P h y s i c a l m o d e l l i n g o f c o o l i n g

R a t h e r t h a n m o d e l l i n g t h e b l a d e w i t h s e v e r a l c o o l i n g d u c t s , w e w i l l i n v e s t i -

g a t e t h e l o c a l h e a t t r a n s f e r i n t h e n e i g h b o u r h o o d o f j u s t o n e c o o l i n g d u c t .

E v e n m o r e s o , w e s h a l l r e s t r i c t o u r s e l v e s t o o n l y a s e c t i o n o f t h e d u c t . W e

w i l l a s s u m e t h e u i d t o b e N e w t o n i a n w i t h t h e p r o p e r t i e s o f a p e r f e c t g a s .

I n o r d e r t o f u r t h e r d e s c r i b e t h e s y s t e m w e h a v e a c l o s e r l o o k a t t h e i n c o m -

p r e s s i b i l i t y a n d t h e r o t a t i o n .

I n c o m p r e s s i b i l i t y

T h e c o o l i n g a i r i s a g a s w i t h s m a l l v i s c o s i t y , f o r c e d t h r o u g h a n a r r o w

p a s s a g e u n d e r h i g h p r e s s u r e . L e t V b e t h e c h a r a c t e r i s t i c v e l o c i t y o f

t h e o w a n d l e t c b e t h e s p e e d o f s o u n d , t h e n t h e M a c h n u m b e r i s

d e n e d b y

M a : =

V

c

: ( 2 . 1 )

F o r l a m i n a r o w s M a


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!

!

E

1

= e

1

e

2

E

2

e

3

E

3

F i g u r e 2 : C h o i c e o f b a s i s s y s t e m

2 . 2 M a t h e m a t i c a l m o d e l l i n g o f t h e c o o l i n g

S i n c e t h e d e n s i t y o f t h e u i d i s t a k e n c o n s t a n t , t h e v a r i a b l e s t h a t r e m a i n

i n o u r p r o b l e m a r e t h e v e l o c i t y u , t h e p r e s s u r e p a n d t h e t e m p e r a t u r e T o f

t h e u i d . T o s o l v e t h e o w p r o b l e m w e n e e d v e e q u a t i o n s i n v o l v i n g t h e s e

v a r i a b l e s . I n t h i s s e c t i o n w e w i l l t r e a t t h e o w p r o b l e m a n d t h e t e m p e r a t u r e

p r o b l e m s e p a r a t e l y , a l t h o u g h t h e v i s c o s i t y i s t h e q u a n t i t y c o u p l i n g b o t h

p r o b l e m s , t h u s m a k i n g t h e o w p r o b l e m i m p l i c i t l y d e p e n d i n g o n t h e t e m -

p e r a t u r e . T h e g e n e r a l e q u a t i o n s f o r a n i n c o m p r e s s i b l e N e w t o n i a n u i d w i l l

b e u s e d ( s e e 1 ] , p . 1 7 4 ) . N o t e t h a t w e a r e d e a l i n g w i t h a r e a l u i d . H o w e v e r

l o w t h e v i s c o s i t y m a y b e , v i s c o u s e e c t s d o p l a y a r o l e i n t h i s p r o b l e m f o r

t h e v e r y r e a s o n t h a t w e a r e i n t e r e s t e d i n b o u n d a r y - l a y e r e e c t s f o r b o t h

t e m p e r a t u r e a n d v e l o c i t y . O n l y i n t h i s w a y w e c a n c o m p u t e h e a t t r a n s f e r

c o e c i e n t s . T o g e t h e r w i t h t h e e n e r g y e q u a t i o n t h e y w i l l y i e l d a c o m p l e t e

s y s t e m o f e q u a t i o n s f o r u , p a n d T .

T h e i n c o m p r e s s i b i l i t y a s s u m p t i o n g i v e s u s t h e c o n t i n u i t y e q u a t i o n

d i v u = 0 ( 2 . 2 )

e x p r e s s i n g c o n s e r v a t i o n o f m a s s . B e s i d e s c o n s e r v a t i o n o f m a s s w e a l s o h a v e

c o n s e r v a t i o n o f m o m e n t u m

@ u

@ t

+ ( u g r a d u ) = f + d i v S ( 2 . 3 )

w h e r e t h e s t r e s s t e n s o r S r e p r e s e n t s d i l a t a t i o n a n d s h e a r i n t h e u i d . T h e

t e r m f i n c o r p o r a t e s a l l e x t e r n a l b o d y f o r c e s o n t h e m e d i u m , l i k e C o r i o l i s

f o r c e , c e n t r i f u g a l f o r c e a n d g r a v i t a t i o n a l f o r c e . T h e r s t t w o o f t h e s e f o r c e s

4


5/27

a r e t h e r e s u l t o f i n t r o d u c i n g t h e r e l a t i v e f r a m e o f r e f e r e n c e . T h e C o r i o l i s

f o r c e a n d c e n t r i f u g a l f o r c e c o n t r i b u t i o n s a r e g i v e n b y

f = 2 ( !

!

! u ) ; ( !

!

! ( !

!

! x ) ) ( 2 . 4 )

( s e e 1 ] , p . 1 3 9 ) . W e n e e d a c o n s t i t u t i v e e q u a t i o n t o r e l a t e t h e s t r e s s t e n s o r

S t o t h e v a r i a b l e s u a n d p . F o r a N e w t o n i a n u i d t h i s r e l a t i o n i s g i v e n b y

S = ; p I + 2 D ( 2 . 5 )

w h e r e t h e t e n s o r D d e n o t e s t h e r a t e o f s t r a i n , i . e . D =

1

2

( g r a d u + g r a d u

T

) .

N o t e t h a t i s i n h o m o g e n e o u s a n d d e p e n d i n g o n T . S i n c e w e a r e i n t e r e s t e d

i n t h e t e m p e r a t u r e e l d , w e h a v e t o i n c l u d e t h e e n e r g y e q u a t i o n i n o u r s e t .

F o r a v i s c o u s , i n c o m p r e s s i b l e u i d t h e e n e r g y e q u a t i o n i s

c

p

D T

D t

= d i v g r a d T +

D p

D t

+ 2 t r ( D

T

D ) : ( 2 . 6 )

W e r e m a r k t h a t t h e e q u a t i o n s f o r u a n d p a r e n o n l i n e a r , w h e r e a s f o r g i v e n u

a n d p a n d c o n s t a n t , a n d c

p

t h e e n e r g y e q u a t i o n i s a l i n e a r e q u a t i o n f o r T .

T h e n o n l i n e a r i t y i s c a u s e d b y t h e p r e s e n c e o f t h e c o n v e c t i v e t e r m i n ( 2 . 3 ) .

U s i n g e q u a t i o n s ( 2 . 2 ) a n d ( 2 . 3 ) - ( 2 . 5 ) w e n d t h e u n s t e a d y N a v i e r - S t o k e s

e q u a t i o n s f o r a n i n c o m p r e s s i b l e o w t o g e t h e r w i t h t h e e n e r g y e q u a t i o n ( 2 . 6 ) .

d i v u = 0 ( 2 . 7 a )

@ u

@ t

+ ( u g r a d u ) = 2 ( !

!

! u ) ; ( !

!

! ( !

!

! x ) ) +

; g r a d p + d i v ( 2 D )

( 2 . 7 b )

c

p

D T

D t

= d i v g r a d T +

D p

D t

+ 2 t r ( D

T

D ) : ( 2 . 7 c )

w h e r e w e h a v e u s e d ( 2 . 4 ) f o r f .

T h e c o m p u t a t i o n a l d o m a i n f o r t h e o w p r o b l e m a n d t h a t f o r t h e t e m -

p e r a t u r e p r o b l e m w i l l n o t b e t h e s a m e . T h i s i s b e c a u s e w e a r e n o t o n l y

i n t e r e s t e d i n t h e t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n i n t h e c o o l i n g d u c t , b u t i n p a r t s

o f t h e m e t a l s u r r o u n d i n g i t a s w e l l t h e l a t t e r i s n e e d e d t o b e a b l e t o c o m p u t e

h e a t t r a n s f e r f r o m t h e b l a d e t o t h e c o o l i n g d u c t .

2 . 3 D i m e n s i o n l e s s n u m b e r s

I n o r d e r t o i n v e s t i g a t e t h e i m p o r t a n c e o f r o t a t i o n a l a n d v i s c o u s e e c t s , t h e

s e t o f e q u a t i o n s w i l l b e m a d e d i m e n s i o n l e s s r s t . S i n c e i s c o n s t a n t t h e

5


6/27

c e n t r i f u g a l f o r c e i s c o n s e r v a t i v e a n d c a n b e a b s o r b e d i n t o t h e p r e s s u r e g r a -

d i e n t t e r m ( s e e 1 ] , p . 1 7 6 ) . T o t h i s e n d w e i n t r o d u c e t h e m o d i e d p r e s s u r e

p

m

w h i c h i s d e n e d b y

p

m

: = p ;

1

2

k !

!

! x k

2

: ( 2 . 8 )

T h e i n t r o d u c t i o n o f p

m

i s m a i n l y d o n e f o r n o t a t i o n a l p u r p o s e s . I n f a c t

t h i s n o t a t i o n o n l y p a y s o w h e n t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s i n v o l v e v e l o c i t y

c o m p o n e n t s e x c l u s i v e l y . T h e m o m e n t u m e q u a t i o n s a r e n o w w r i t t e n a s

@ u

@ t

+ ( u g r a d u ) = 2 ( !

!

! u ) ; g r a d p

m

+ d i v ( 2 D ) : ( 2 . 9 )

W e n o w i n t r o d u c e d i m e n s i o n l e s s v a r i a b l e s b y p r o v i d i n g t h e m w i t h a p r i m e .

c o o r d i n a t e x

i

= L x

0

i

( i = 1 2 3 )

v e l o c i t y u

i

= V u

0

i

( i = 1 2 3 )

t i m e t = L V

; 1

t

0

a n g u l a r v e l o c i t y !

i

= ! !

0

i

( i = 1 2 3 )

p r e s s u r e p = V

2

p

0

t e m p e r a t u r e T = T

0

+ T

0

T

d y n a m i c v i s c o s i t y =

0

0

s t r e s s S

i j

=

0

L

; 1

V S

0

i j

( i j = 1 2 3 )

T h e q u a n t i t i e s L , V , ! , T

0

a n d

0

a r e c h a r a c t e r i s t i c f o r t h e p r o b l e m . T h e i r

v a l u e s a r e c h o s e n s u c h t h a t t h e d i m e n s i o n l e s s v a r i a b l e s a r e 1 . T h e t e m -

p e r a t u r e T

0

i s a r e f e r e n c e v a l u e a n d c a n b e t a k e n e q u a l t o t h e i n l e t t e m p e r a -

t u r e o f t h e c o o l i n g a i r . F o r T o n e c o u l d t a k e , f o r e x a m p l e , t h e d i e r e n c e i n

t e m p e r a t u r e b e t w e e n t h e b l a d e a n d t h e c o o l i n g a i r ( T

0

) . A s a c h a r a c t e r i s t i c

l e n g t h s c a l e w e c h o o s e L = D

h

, w h e r e D

h

i s c a l l e d t h e h y d r a u l i c d i a m e t e r

a n d i s b a s e d o n t h e n a r r o w e s t c r o s s s e c t i o n o f t h e c o o l i n g d u c t . I n o u r s p e -

c i c p r o b l e m L i s o f t h e o r d e r 1 m m . L e t

v

d e n o t e t h e v o l u m e t r i c o w r a t e

d e n e d b y

v

: =

R

( u n ) d , w h e r e t h e s u r f a c e i n t e g r a l i s c o m p u t e d o v e r a

c r o s s s e c t i o n o f t h e c o o l i n g d u c t . F o r t h e v e l o c i t y w e t h e n t a k e

V : =

4

v

D

h

2

: ( 2 . 1 0 )

B e c a u s e w e a r e d e a l i n g w i t h a r i b b e d s u r f a c e , t h i s d e n i t i o n o f V m a y n o t

b e i n d i c a t i v e f o r t h e c o m p l e x i t y o f t h e o w a n y m o r e . I n s u c h a c a s e t h e

s m a l l s c a l e o w p a t t e r n m a y f u l l y d e t e r m i n e t h i s . I n p r a c t i c e V i s a b o u t

6


7/27

7 5 m s

; 1

. F o r t h e r o t a t i o n a l s p e e d ! w e n d 3 0 0 r a d s

; 1

a s a t y p i c a l v a l u e

a n d 1 0

; 5

k g m

; 1

s

; 1

f o r t h e v i s c o s i t y a t T = T

0

.

T h e r e l e v a n t d i m e n s i o n l e s s n u m b e r s a r e g i v e n b y

R e =

0

V L

0

R e y n o l d s n u m b e r

R o =

! L

V

R o s s b y n u m b e r

P r =

0

c

p

P r a n d t l n u m b e r

E c =

V

2

c

p

T

E c k e r t n u m b e r

T h e R e y n o l d s n u m b e r c a n t e l l u s h o w s t r o n g c o n v e c t i o n i s w i t h r e s p e c t t o

v i s c o u s e e c t s . T h e R o s s b y n u m b e r i n d i c a t e s t h e i m p o r t a n c e o f r o t a t i o n a l

e e c t s c o m p a r e d t o c o n v e c t i v e e e c t s . T h e P r a n d t l n u m b e r g i v e s a n i n d i c a -

t i o n f o r t h e t r a n s p o r t o f h e a t w i t h r e s p e c t t o t h e t r a n s p o r t o f m o m e n t u m .

N o t e t h a t P r o n l y d e p e n d s o n t h e p r o p e r t i e s o f t h e u i d . I t i s k n o w n t h a t

f o r g a s e o u s u i d s P r h a r d l y d e p e n d s o n t h e t e m p e r a t u r e . I n d i m e n s i o n l e s s

f o r m t h e i n c o m p r e s s i b l e N a v i e r - S t o k e s e q u a t i o n s a r e

d i v u = 0 ( 2 . 1 1 a )

@ u

@ t

+ ( u g r a d u ) = 2 R o ( !

!

! u ) ; g r a d p

m

+

1

R e

d i v ( 2 D ) ( 2 . 1 1 b )

D T

D t

=

1

R e P r

d i v g r a d T + E c

D p

D t

+

E c

R e

2 t r ( D

T

D ) : ( 2 . 1 1 c )

w h e r e t h e p r i m e h a s b e e n o m i t t e d a g a i n f o r s i m p l i c i t y . T h e f a c t o r E c = R e

i n d i c a t e s t h e e e c t o f v i s c o u s d i s s i p a t i o n i n r e l a t i o n t o c o n v e c t i v e h e a t

t r a n s f e r . N o t e t h a t t h e m o d i e d p r e s s u r e p

m

i s s c a l e d a s f o l l o w s p

0

m

=

p

0

;

1

2

R o

2

k !

0

!

0

!

0

x

0

k

2

.

T h e t e m p e r a t u r e i s a n e s s e n t i a l v a r i a b l e i n o u r p r o b l e m a n d i s d e t e r -

m i n e d o n c e t h e v e l o c i t y e l d i s k n o w n . D u e t o s t r o n g c o n v e c t i o n , t e m -

p e r a t u r e b o u n d a r y - l a y e r s w i l l b e f o r m e d a l o n g t h e w a l l . T h e r e i s a s t r o n g

d i e r e n c e b e t w e e n t h e t e m p e r a t u r e o f t h e u i d s o m e d i s t a n c e a w a y f r o m

t h e w a l l a n d t h a t o f t h e b l a d e . T h e c o o l i n g a i r e n t e r i n g t h e d u c t h a s a

t e m p e r a t u r e o f a b o u t 6 0 0 K , w h i l e t h e m e t a l o f t h e b l a d e i s a t 1 2 0 0 K -

1 6 0 0 K n e a r t h e i n l e t o f t h e d u c t . T o o b t a i n a g l o b a l q u a n t i t y c o n c e r n -

i n g h e a t t r a n s f e r w e w i l l l o o k a t a f u r t h e r d i m e n s i o n l e s s n u m b e r , n a m e l y

t h e N u s s e l t n u m b e r N u . G e n e r a l l y t h e N u s s e l t n u m b e r i s a f u n c t i o n o f t h e

7


8/27

g e o m e t r y a n d a l l o t h e r d i m e n s i o n l e s s n u m b e r s i n v o l v e d , w h i c h i n o u r c a s e

y i e l d s N u = N u ( R e R o P r E c ) . T h e d e p e n d e n c e o f t h e h e a t t r a n s f e r o n

t h e R e y n o l d s n u m b e r R e w i l l b e t h e s t r o n g e s t , s i n c e t h e P r a n d t l n u m b e r i s

f a i r l y c o n s t a n t a n d t h e r o t a t i o n a l s p e e d o f t h e b l a d e i s a s s u m e d c o n s t a n t .

I t w i l l e v e n t u r n o u t t h a t e e c t s d u e t o b l a d e r o t a t i o n ( R o ) a n d t h e e e c t s

o f v i s c o u s d i s s i p a t i o n ( E c = R e ) c a n b e n e g l e c t e d , a s w i l l b e d i s c u s s e d i n t h e

n e x t s e c t i o n . T h e r e f o r e f o r a c e r t a i n t u r b u l a t o r c o n g u r a t i o n , a p l o t o f N u

a g a i n s t R e c o n t a i n s a l l t h e n e c e s s a r y i n f o r m a t i o n a b o u t t h e h e a t t r a n s f e r

f o r t h a t p a r t i c u l a r c o o l i n g d u c t .

T h e o v e r a l l N u s s e l t n u m b e r i s c o m p u t e d b y a v e r a g i n g t h e l o c a l h e a t

t r a n s f e r r a t e . T h e c o e c i e n t o f h e a t t r a n s f e r a t a g i v e n c r o s s s e c t i o n i n

t h e d u c t i s i m p l i c i t l y d e n e d b y

q

w

: = ( T

w

; T

b

) ( 2 . 1 2 )

w h e r e q

w

i s t h e h e a t u x f r o m t h e w a l l t o t h e u i d , T

w

i s t h e w a l l t e m p e r a t u r e

a n d T

b

i s t h e b u l k t e m p e r a t u r e o r m a s s - a v e r a g e d t e m p e r a t u r e . T h e l a t t e r

i s d e n e d b y

T

b

( z ) : =

1

v

Z

S

c

( u n ) T d ( 2 . 1 3 )

w i t h z t h e c o o r d i n a t e a l o n g t h e a x i s o f t h e d u c t a n d w h e r e t h e i n t e g r a l i s

t a k e n o v e r t h e c r o s s s e c t i o n a l a r e a S

c

o f t h e d u c t a t c r o s s s e c t i o n z . N o w

t h e r e i s a l o c a l v a l u e o f ( z ) a s s o c i a t e d w i t h e a c h c r o s s s e c t i o n z . T o o b t a i n

t h e o v e r a l l N u s s e l t n u m b e r w e n e e d t o c o m p u t e a n a v e r a g e c o e c i e n t o f

h e a t t r a n s f e r . A s s u m i n g a c o n s t a n t h e a t u x q

w

o n t h e w a l l , c a n b e

c o m p u t e d b y = q

w

= T

r e f

, w h e r e T

r e f

i s d e n e d b y

T

r e f

=

1

a r e a ( A )

Z

A

( T

w

( z ) ; T

b

( z ) ) d : ( 2 . 1 4 )

I n ( 2 . 1 4 ) A d e n o t e s t h e s u r f a c e o f t h e w a l l o f t h e c o o l i n g d u c t . T h i s r e s u l t s

i n a n o v e r a l l N u s s e l t n u m b e r N u e x p r e s s e d b y

N u =

D

h

: ( 2 . 1 5 )

T h e N u s s e l t n u m b e r i s , l i k e t h e R e y n o l d s n u m b e r , b a s e d o n t h e h y d r a u l i c

d i a m e t e r .

8


9/27

2 . 4 R e s u l t i n g s e t o f e q u a t i o n s

F o r t h e d i m e n s i o n l e s s n u m b e r s w e t y p i c a l l y h a v e t h e f o l l o w i n g v a l u e s : R o =

0 : 0 1 , R e = 2 0 0 0 0 a n d P r = 0 : 7 . I t i s c l e a r f r o m ( 2 . 1 1 b ) t h a t r o t a t i o n a l

e e c t s a r e n e g l i g i b l e r e l a t i v e t o c o n v e c t i v e e e c t s . T h e r e f o r e w e n e g l e c t t h e

C o r i o l i s f o r c e a n d t h e c e n t r i f u g a l f o r c e i n ( 2 . 1 1 b ) . F u r t h e r m o r e t h e e e c t o f

v i s c o u s d i s s i p a t i o n c a n b e n e g l e c t e d s i n c e E c = 0 : 0 1 . O n e m a y q u e s t i o n w h y

R e i s n o t n e g l e c t e d f o r t h e s a m e r e a s o n a s R o i s n e g l e c t e d . A s e x p l a i n e d i n

s e c t i o n 2 . 2 , w e n e e d t o t a k e v i s c o u s e e c t s i n t o a c c o u n t , h o w e v e r s m a l l t h e y

a r e . U p o n n e g l e c t i n g t h e r o t a t i o n a l e e c t s w e c a n r e s t r i c t t h e i n v e s t i g a t i o n

t o t h e c a s e o f a n o n - r o t a t i n g p i p e , w h i c h r e d u c e s t h e p r o b l e m f r o m 3 D t o

t o a n a x i - s y m m e t r i c 2 D p r o b l e m . A n o t h e r s i m p l i c a t i o n i s t o a s s u m e t h e

v i s c o s i t y t o b e c o n s t a n t , s i n c e w e w i l l o n l y b e c o n s i d e r i n g a s m a l l s e c t i o n

o f t h e c o o l i n g d u c t r a t h e r t h a n t h e w h o l e p a s s a g e . T h e l a t t e r i s p r a c t i c a l l y

i m p o s s i b l e s i n c e o n e w o u l d n e e d a n e n o r m o u s a m o u n t o f c o m p u t i n g p o w e r

t o c a r r y o u t t h e s i m u l a t i o n . A s a r e s u l t o f t a k i n g c o n s t a n t t h e e n e r g y

e q u a t i o n i s d e c o u p l e d f r o m t h e o w e q u a t i o n s . N o w t h e p r o b l e m c a n b e

e

z

e

r

u p s t r e a m

d o w n s t r e a m

1

2

F i g u r e 3 : C o m p u t a t i o n a l d o m a i n

d e s c r i b e d i n t w o d i m e n s i o n s i n c y l i n d e r c o o r d i n a t e s a n d t h e s e t o f e q u a t i o n s

b e c o m e s

d i v u = 0 ( 2 . 1 6 a )

@ u

@ t

+ ( u g r a d u ) = ; g r a d p + d i v ( 2 D ) ( 2 . 1 6 b )

@ T

@ t

+ ( u g r a d T ) =

c

p

d i v g r a d T : ( 2 . 1 6 c )

i n f u l l d i m e n s i o n s . T h e a c t u a l c o m p u t a t i o n a l d o m a i n i s s h o w n i n g u r e 3 .

T h e o w p r o b l e m i s c o m p u t e d o n d o m a i n

1

a n d t h e t e m p e r a t u r e p r o b l e m

9


10/27

o n

1

2

. B o u n d a r y c o n d i t i o n s w i l l b e d i s c u s s e d i n C h a p t e r 6 . B e c a u s e

o f t h e c o m p l e x p a s s a g e s h a p e a n d t h e h i g h p r e s s u r e d i e r e n c e t h e o w i s

s t r o n g l y t h r e e - d i m e n s i o n a l a n d t u r b u l e n t . A t u r b u l e n t o w c a n g e n e r a l l y

n o t b e c o n s i d e r e d a x i s y m m e t r i c . H o w e v e r , f o r c e r t a i n t u r b u l e n c e m o d e l s

a x i s y m m e t r y c a n b e a s s u m e d .

3 N u m e r i c a l A s p e c t s

3 . 1 T i m e I n t e g r a t i o n

I n t h i s s e c t i o n w e c o n s i d e r t h e t i m e - d e p e n d e n t e q u a t i o n s . I n a n o p e r a t o r

f o r m t h e N a v i e r - S t o k e s e q u a t i o n s c n b e w r i t t e n a s f o l l o w s :

M

_

u + A u + C ( u ) u + B

0

p = F ( 3 . 1 a )

B u = 0 : ( 3 . 1 b )

T h e d i s c r e t i z a t i o n w i t h r e s p e c t t o t i m e i s d o n e b y t h e - m e t h o d . C o m m o n

v a l u e s f o r a r e = 1 ( E u l e r b a c k w a r d s c h e m e ) a n d = 0 : 5 ( C r a n k - N i c o l s o n

s c h e m e ) . T h e l a t t e r y i e l d s s e c o n d - o r d e r a c c u r a t e t i m e i n t e g r a t i o n o p p o s e d t o

t h e f u l l y i m p l i c i t i n t e g r a t i o n s c h e m e . H o w e v e r , t h e a d v a n t a g e o f t h e E u l e r

b a c k w a r d s c h e m e i s t h a t i t i s u n c o n d i t i o n a l l y s t a b l e . T h e d i s c r e t i z a t i o n

s c h e m e f o r t h e - m e t h o d i s g i v e n b y

M

u

n + 1

; u

n

t

+ A

;

u

n + 1

+ ( 1 ; ) u

n

+ C ( u

n + 1

) u

n + 1

+

( 1 ; ) C ( u

n

) u

n

+ B

0

;

p

n + 1

+ ( 1 ; ) p

n

= F

n + 1

+ ( 1 ; ) F

n

( 3 . 2 a )

B u

n + 1

= 0 ( 3 . 2 b )

w h e r e t i s t h e t i m e s t e p s i z e . T h i s s y s t e m o f e q u a t i o n s c a n b e r e f o r m u l a t e d

a s f o l l o w s

;

1

t

M + ( A + C ( u

n + 1

) )

u

n + 1

+ B

0

p

n + 1

=

;

1

t

M ; ( 1 ; ) ( A + C ( u

n

)

u

n

; ( 1 ; ) B

0

p

n

+ F

n + 1

+ ( 1 ; ) F

n

( 3 . 3 a )

B u

n + 1

= 0 : ( 3 . 3 b )

1 0


11/27

U p o n l i n e a r i z a t i o n a c c o r d i n g t o N e w t o n ' s m e t h o d w e o b t a i n

;

1

t

M + A

u

n + 1

+ C ( u

n + 1

) u

n

+ C ( u

n

) u

n + 1

+ B

0

p

n + 1

= C ( u

n

) u

n

+

;

1

t

M ; ( 1 ; ) ( A + C ( u

n

)

u

n

; ( 1 ; ) B

0

p

n

+ F

n + 1

+ ( 1 ; ) F

n

( 3 . 4 a )

B u

n + 1

= 0 : ( 3 . 4 b )

3 . 2 E c i e n t S o l u t i o n o f t h e D i s c r e t i z e d S y s t e m

T h e c o r e o f t h e p r o b l e m i s h o w t o s o l v e t h e r e s u l t i n g l i n e a r p r o b l e m e -

c i e n t l y . I n t h i s s e c t i o n w e t h e r f o r e c o n s i d e r a n u m e r i c a l a p p r o a c h o f s o l v i n g

s y s t e m ( 3 . 4 ) . E v e n i n t w o d i m e n s i o n s d i r e c t s o l v e r s f o r m e d i u m - t o l a r g e -

s c a l e p r o b l e m s p o s e s e v e r e r e s t r i c t i o n s o n t h e n u m b e r o f e l e m e n t s t h a t c a n

b e u s e d i n t h e d i s c r e t i z a t i o n a n d t h u s o n C P U - t i m e , b u t e v e n m o r e o n m e m -

o r y . S i n c e n i t e - e l e m e n t m a t r i c e s a r e i n h e r e n t l y s p a r s e , i t e r a t i v e s o l v e r s a r e

f a v o u r a b l e f o r b o t h s p e e d a n d m e m o r y u s a g e . I n t h e f o l l o w i n g w e w i l l f o c u s

o n i t e r a t i v e s o l v e r s a n d B I C G S T A B i n p a r t i c u l a r . T h i s t e c h n i q u e i s d i s -

c u s s e d i n 7 ] a n d i s v e r y e a s y t o i m p l e m e n t . N o t e t h a t w e u s e t h e i n t e g r a t e d

m e t h o d ( c f . 6 ] ) t o s o l v e t h e s y s t e m o f e q u a t i o n s ( s e e E q . ( 3 . 4 ) ) . A p r e -

c o n d i t i o n e r i s n e c e s s a r y t o s p e e d u p t h e s o l v e r . W e w i l l u s e i n c o m p l e t e L U

f a c t o r i z a t i o n ( I L U ) a s a p r e c o n d i t i o n e r .

S i n c e i t e r a t i v e m e t h o d s e x p l o i t n i t e - e l e m e n t m a t r i c e s b e i n g s p a r s e , a

p r o p e r m a t r i x s t o r a g e s c h e m e i s v e r y i m p o r t a n t . A s s u m i n g a r e g u l a r m e s h ,

a n i n t e r n a l n o d e o f t h e m e s h w i l l b e l o n g t o a b o u t 6 e l e m e n t s . F o r t h e

p u r p o s e o f i l l u s t r a t i o n w e c o n s i d e r t h e ( P

2

P

1

) T a y l o r - H o o d e l e m e n t ( s e e

g u r e 4 ) . T h i s i m p l i e s t h a t a v a r i a b l e , r e p r e s e n t i n g a v e l o c i t y c o m p o n e n t ,

a t t h a t n o d e w i l l h a v e r e l a t i o n s w i t h 7 p r e s s u r e n o d e s a n d 1 9 v e l o c i t y n o d e s

r e s u l t i n g i n 7 + 2 1 9 = 4 5 n o n z e r o s i n t h e c o r r e s p o n d i n g m a t r i x r o w . F o r a n

i r r e g u l a r m e s h t h i s n u m b e r c a n b e c o m e a s h i g h a s 6 6 n o n z e r o s i n a m a t r i x

r o w . N o t e t h a t t h i s n u m b e r i s i n d e p e n d e n t o f t h e n u m b e r o f e l e m e n t s i n t h e

m e s h .

T h e m a t r i x s t o r a g e s c h e m e u s e d i s t h e s o - c a l l e d c o m p r e s s e d r o w s t o r a g e

s c h e m e ( C R S ) . S i n c e w e d o n o t w a n t t o u s e a d i r e c t s o l v e r w e d o n o t s t o r e

t h e p r o l e o f t h e m a t r i x i n w h i c h w e a l l o w l l - i n , b u t r a t h e r t h e n o n z e r o s

a n d t h e i r p o s i t i o n i n t h e m a t r i x . F o r m o r e d e t a i l s s e e 6 ] .

1 1


12/27

u

1

u

2

p

u

1

u

2

F i g u r e 4 : ( P

2

P

1

) T a y l o r - H o o d e l e m e n t s

4 F l o w a n d H e a t T r a n s f e r C o m p u t a t i o n s

4 . 1 U n s t e a d y L a m i n a r F l o w S i m u l a t i o n s

T h e l a m i n a r o w c o m p u t a t i o n s h a v e b e e n c a r r i e d o u t f o r R e y n o l d s n u m b e r s

u p t o 5 5 0 . W i t h a l i t t l e o v e r 5 0 0 0 u n k n o w n s , t h e s o l u t i o n s a r e r e l a t i v e l y

c h e a p t o o b t a i n . T h i s i s o n l y p o s s i b l e b e c a u s e t h e e j e c t e d v o r t i c e s d o n o t

a e c t t h e c o r e o w r e g i o n , b u t r e m a i n i n t h e c a v i t i e s b e t w e e n t h e t u r b u l a -

t o r s . F r o m t h i s w e c a n d e d u c e t h a t c o n v e c t i v e i n e r t i a l e e c t s d o n o t p l a y

a n i m p o r t a n t r o l e i n t h e c o r e r e g i o n . T h e r e f o r e t h e o w c o m p l e x i t y i s n o t

r e a l l y d e t e r m i n e d b y t h e g l o b a l R e y n o l d s n u m b e r , b u t b y t h e u n s t e a d y o w

b e h a v i o u r n e a r t h e t u r b u l a t o r s w h e r e t h e v e l o c i t i e s a r e m u c h l o w e r t h a n i n

t h e m i d d l e o f t h e c o o l i n g d u c t .

W e h a v e c h o s e n t o u s e p e r i o d i c b o u n d a r y c o n d i t i o n s , t h u s a v o i d i n g t r a n -

s i e n t e e c t s n e a r t h e i n l e t o f t h e c o o l i n g d u c t . T h i s m a k e s i t p o s s i b l e t o

p e r f o r m t h e c o m p u t a t i o n s o n a s m a l l s e g m e n t o f t h e d u c t . T h e p e r i o d i c i t y

i s i n t h e a x i a l c o o r d i n a t e o f t h e r e l a t i v e f r a m e o f r e f e r e n c e ( s e e s e c t i o n 2 . 1 ) .

B e s i d e s t h i s i m p o s e d b e h a v i o u r w e o b s e r v e t i m e c y c l e s d i s p l a y i n g r e g u l a r

o w p a t t e r n s . T h i s m e a n s t h a t t h e r e i s a p e r i o d i c i t y i n t i m e a s w e l l . W e u s e

e q u a t i o n ( 2 . 1 6 b ) t o d e s c r i b e t h e l a m i n a r o w . I n d i m e n s i o n l e s s f o r m t h i s

y i e l d s

@ u

@ t

+ ( u g r a d u ) = ; g r a d p +

1

R e

d i v ( 2 D ) : ( 4 . 1 )

F o r a l l l a m i n a r o w s i m u l a t i o n s w e a s s u m e t h e v i s c o s i t y t o b e c o n s t a n t

( s e e s e c t i o n 2 . 4 ) , t h u s d e c o u p l i n g t h e h e a t e q u a t i o n f r o m t h e N a v i e r - S t o k e s

e q u a t i o n s . A l s o f o r t h e h e a t e q u a t i o n w e u s e p e r i o d i c b o u n d a r y c o n d i t i o n s .

T h e c o m p u t e d N u s s e l t n u m b e r s a r e c o m p a r e d w i t h t h e N u s s e l t n u m b e r f o r

1 2


13/27

a s m o o t h d u c t a s f o u n d i n l i t e r a t u r e .

F o r t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n s w e u s e t h e F i n i t e E l e m e n t M e t h o d ( F E M ) ,

i n c o r p o r a t i n g t h e i n t e g r a t e d m e t h o d ( s e e s e c t i o n 3 . 2 ) .

4 . 2 P e r i o d i c b o u n d a r y c o n d i t i o n s

I n c a s e t h e g e o m e t r y o f a t u r b u l a t e d c o o l i n g p a s s a g e i s w i t h o u t a n y d e f e c t s ,

i t i s r e a s o n a b l e t o a s s u m e t h a t s u c i e n t l y f a r f r o m t h e i n l e t t h e o w b e c o m e s

p e r i o d i c a l l y d e v e l o p e d . F i r s t o f a l l i t i s n e c e s s a r y t h a t t h e c o o l i n g p a s s a g e i t -

s e l f i s g e o m e t r i c a l l y p e r i o d i c . T h e r e f o r e w e u s e a c o s i n e f u n c t i o n t o d e s c r i b e

t h e s h a p e o f t h e d u c t . M o r e o v e r w e u s e p e r i o d i c b o u n d a r y c o n d i t i o n s . I f w e

d i v i d e t h e c o o l i n g p a s s a g e i n t o s e g m e n t s l i k e i n g u r e 5 , w e e x p e c t p e r i o d i c -

i t y i n s p a c e t o o c c u r o v e r a s m a l l n u m b e r o f p i p e s e g m e n t s . T h i s a p p r o a c h

F i g u r e 5 : P i p e c o n s i s t i n g o f f o u r s e g m e n t s

e n a b l e s u s t o p e r f o r m n u m e r i c a l s i m u l a t i o n s w i t h a r e l a t i v e l y s m a l l n u m b e r

o f n i t e e l e m e n t s . F i r s t w e a s s u m e p e r i o d i c i t y t o o c c u r a l r e a d y o v e r t w o s e g -

m e n t s . T h e n w e t r y t o v e r i f y t h i s a s s u m p t i o n b y i n c r e a s i n g t h e n u m b e r o f

s e g m e n t s . W e c h o o s e t h e i n l e t a n d o u t l e t b o u n d a r i e s a t t h e p o s i t i o n w h e r e

t h e d i a m e t e r i s t h e s m a l l e s t . W e r e m a r k t h a t t h i s c h o i c e i s a r b i t r a r y , s i n c e

w e e n f o r c e p e r i o d i c i t y . I n g u r e 6 t h e c o m p u t a t i o n a l d o m a i n i s s h o w n .

e

r

e

z

i n l e t o u t l e t

w a l l

R

m

H

F i g u r e 6 : C o m p u t a t i o n a l d o m a i n

1 3


14/27

T h e g e o m e t r y o f t h e w a l l ; i s d e s c r i b e d b y t h e f o l l o w i n g f u n c t i o n

r = f ( z ) = R

m

+

H

2

;

1 ; c o s (

2 z

)

: ( 4 . 2 )

T y p i c a l d i m e n s i o n s f o r s u c h a t u r b u l a t e d c o o l i n g p a s s a g e c a n b e

R

m

= 1 : 2 5 m m m i n i m a l r a d i u s

H = 0 : 7 5 m m t u r b u l a t o r h e i g h t

= 3 : 1 5 m m t u r b u l a t o r p i t c h

F o r t h e l a m i n a r o w s i m u l a t i o n s w e d o n o t u s e t h e d e n i t i o n o f t h e R e y n o l d s

n u m b e r a s d e s c r i b e d i n s e c t i o n 2 . 3 . I t t u r n s o u t t h a t i n t h e s e s i m u l a t i o n s

t h e s t r e a m l i n e s f o r 0 r R

m

a r e h o r i z o n t a l . E v e n w h e n t h e l a m i n a r o w

b e c o m e s u n s t e a d y , t h e c o r e r e g i o n o f t h e c o o l i n g d u c t i s h a r d l y a e c t e d .

T h e c o m p l e x i t y o f t h e o w i s t h e r e f o r e c h a r a c t e r i z e d b y t h e o w b e h a v i o u r

i n t h e c a v i t i e s b e t w e e n t h e t u r b u l a t o r s . A s a c o n s e q u e n c e i t m a k e s s e n s e f o r

t h i s t y p e o f o w t o d e n e t h e c h a r a c t e r i s t i c v e l o c i t y a s t h e v e l o c i t y i n t h e

a x i a l d i r e c t i o n a t r = R

m

a n d t h e c h a r a c t e r i s t i c l e n g t h s c a l e t o b e e q u a l t o

t h e t u r b u l a t o r h e i g h t H . T h i s R e y n o l d s n u m b e r w i l l b e d e n o t e d a s R e

H

.

U n d e r t h e s e c o n d i t i o n s t h e p r e s s u r e p c a n b e e x p r e s s e d a s

p = ; z + p

r

+ p

0

( 4 . 3 )

w h e r e i s t h e p r e s s u r e d r o p p e r u n i t l e n g t h i n t h e c o o l i n g d u c t , p

0

a r e f -

e r e n c e p r e s s u r e a n d p

r

i s c a l l e d t h e r e d u c e d p r e s s u r e . T h e q u a n t i t y p

r

i s a

p e r i o d i c f u n c t i o n i n z ( s e e 3 ] a n d 8 ] ) . F o r n o t a t i o n a l p u r p o s e s w e i n t r o d u c e

a s t r e s s t e n s o r S

b y

S

: = ; p

r

I + 2 D : ( 4 . 4 )

S u b s t i t u t i o n o f ( 4 . 3 ) i n t h e m o m e n t u m e q u a t i o n ( 2 . 1 6 b ) y i e l d s

@ u

@ t

+ ( u g r a d u ) = d i v S

= d i v S

+ f

= ; g r a d p

r

+ d i v ( 2 D ) + f

( 4 . 5 )

w h e r e t h e a d d i t i o n a l b o d y f o r c e i s g i v e n b y f = e

z

. N o w i s t h e d r i v i n g

f o r c e f o r t h e o w . T h e v a r i a b l e s u a n d p

r

a r e a l l p e r i o d i c i n z . W e i n t r o d u c e

t h e p e r i o d i c i t y i n d e x n , w h i c h i s a n i n t e g e r a n d i s y e t t o b e d e t e r m i n e d s u c h

1 4


15/27

t h a t

u ( r z t ) = u ( r z + n ` t ) ( 4 . 6 a )

p

r

( r z t ) = p

r

( r z + n ` t ) ( 4 . 6 b )

h o l d s i n t h e w h o l e d o m a i n . S i n c e w e e x p e c t t h e p e r i o d i c b e h a v i o u r a l r e a d y

t o o c c u r o v e r a s m a l l s e c t i o n o f t h e d u c t , w e s t a r t b y c o n s i d e r i n g a d u c t

c o n s i s t i n g o f t w o s e g m e n t s . I f t h i s w o u l d a l r e a d y y i e l d n = 1 , w e a r e s a t -

i s e d . O t h e r w i s e w e w i l l h a v e t o i n c r e a s e t h e n u m b e r o f s e g m e n t s i n t h e

c o m p u t a t i o n a l d o m a i n a n d i n v e s t i g a t e t h e o w p a t t e r n s i n d u c t s w i t h m o r e

s e g m e n t s a n d d e t e r m i n e a g a i n t h e i r p e r i o d i c i t y i n d e x . T h e b o u n d a r y c o n -

d i t i o n s f o r u a n d p

r

a r e g i v e n i n g u r e 7 . F u r t h e r m o r e w e n e e d t o x t h e

u p e r i o d i c

p

r

p e r i o d i c

u p e r i o d i c

p

r

p e r i o d i c

u = 0

( S

n t ) = 0 ( u t ) = 0

F i g u r e 7 : B o u n d a r y c o n d i t i o n s f o r u a n d p

r

p r e s s u r e p

r

a t o n e p o i n t i n t h e c o m p u t a t i o n a l d o m a i n t o m a k e i t u n i q u e l y

d e t e r m i n e d . T h i s d e g r e e o f f r e e d o m i s a c t u a l l y e x p r e s s e d b y t h e p r e s e n c e o f

t h e t e r m p

0

i n ( 4 . 3 ) .

F o r t h e t e m p e r a t u r e T w e h a v e t o s o l v e a c o n v e c t i o n - d i u s i o n p r o b -

l e m w i t h a p r e s c r i b e d t e m p e r a t u r e a t t h e i n l e t a n d a c o n s t a n t h e a t u x

;

@ T

@ n

= h ( h > 0 ) o n t h e w a l l ; o f t h e c o o l i n g d u c t . T h e a s s u m p t i o n o f a

c o n s t a n t t h e r m a l l o a d o n t h e w a l l i s d o n e f o r r e a s o n s o f s i m p l i c i t y . H o w e v e r ,

w e n e e d q u i t e a l o t o f s e g m e n t s t o o b t a i n t h e c o r r e s p o n d i n g t e m p e r a t u r e

d i s t r i b u t i o n f o r t h e w h o l e c o o l i n g d u c t . T h e r e f o r e , a s f o r t h e o w p r o b l e m ,

w e a s s u m e t h a t t h e t e m p e r a t u r e e l d b e c o m e s p e r i o d i c a l l y d e v e l o p e d s u -

c i e n t l y f a r f r o m t h e i n l e t . U n d e r t h e t h e r m a l c o n d i t i o n s o f a u n i f o r m h e a t

u x w e c a n t h e n e x p r e s s t h e t e m p e r a t u r e T a s f o l l o w s :

T = z + T

+ T

0

> 0 ( 4 . 7 )

w h e r e i s a c o n s t a n t a n d r e p r e s e n t s t h e t e m p e r a t u r e r i s e p e r u n i t l e n g t h i n

t h e d u c t a n d w h e r e T

0

i s a r e f e r e n c e t e m p e r a t u r e . T h i s r i s e i n t e m p e r a t u r e

1 5


16/27

i s d u e t o t h e c o o l i n g a i r b e i n g h e a t e d u p b y t h e b l a d e a s i t o w s t h r o u g h

t h e p a s s a g e . N o w t h e q u a n t i t y T

i s a p e r i o d i c f u n c t i o n o f z s u c h t h a t

T

( r z t ) = T

( r z + n ` t ) ( 4 . 8 )

h o l d s f o r t h e w h o l e d o m a i n . T h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s f o r T

o n t h e s m a l l

s e g m e n t a r e g i v e n i n g u r e 8 . N o t e t h a t t h e u s e o f a D i r i c h l e t b o u n d a r y

T

p e r i o d i c T

p e r i o d i c

;

@ T

@ n

= h + ( e

z

n )

@ T

@ n

= 0

F i g u r e 8 : B o u n d a r y c o n d i t i o n s f o r T

c o n d i t i o n f o r T i s n o t p o s s i b l e i n t h i s s e t u p . S u b s t i t u t i o n o f ( 4 . 7 ) i n t h e

h e a t e q u a t i o n ( 2 . 1 6 c ) r e s u l t s i n

c

p

;

@ T

@ t

+ ( u g r a d T

)

= d i v ( g r a d T

) + Q ( 4 . 9 )

w h e r e t h e a d d i t i o n a l s o u r c e t e r m Q i s g i v e n b y Q = ; c

p

( u e

z

) . T h e

r e d e n i t i o n o f t h e t e m p e r a t u r e g i v e s r i s e t o t h e a p p e a r a n c e o f a s o u r c e t e r m

i n t h e e q u a t i o n . T h e i n i t i a l c o n d i t i o n f o r ( 4 . 9 ) o b v i o u s l y h a s t o b e p e r i o d i c .

I t i s c l e a r t h a t t h e s o l u t i o n i s d e t e r m i n e d u p t o a c o n s t a n t . T h e r e f o r e T

n e e d s t o b e x e d a t o n e p o i n t i n t h e d o m a i n . T h i s d e g r e e o f f r e e d o m i s

e x p r e s s e d b y T

0

i n ( 4 . 7 ) . A f t e r s o l v i n g T

w e n d T b y u s i n g ( 4 . 7 ) , w h e r e

t h e c o n s t a n t T

0

i s d e t e r m i n e d b y t h e d i s t a n c e o f t h e s e g m e n t t o t h e a c t u a l

i n l e t o f t h e c o o l i n g d u c t . B e c a u s e T

i s d e t e r m i n e d u p t o a c o n s t a n t , w e a l s o

h a v e a n a d d i t i o n a l c o n s t r a i n t , s i m i l a r t o t h e c o m p a t i b i l i t y c o n d i t i o n f o r t h e

o w p r o b l e m . I n t h i s c a s e s u c h a c o n d i t i o n e x p r e s s e s c o n s e r v a t i o n o f e n e r g y

a n d i s e x p r e s s e d b y

Z

;

;

@ T

@ n

d =

Z

Q d : ( 4 . 1 0 )

T h i s y i e l d s

Z

;

;

h + ( e

z

n )

d =

Z

; c

p

( u e

z

) d : ( 4 . 1 1 )

1 6


17/27

N o t e t h a t t h e s e c o n d t e r m i n t h e l e f t - h a n d s i d e o f e q u a t i o n ( 4 . 1 1 ) h a s a t o t a l

c o n t r i b u t i o n o f z e r o t o t h e i n t e g r a l , b e c a u s e o f t h e g e o m e t r i c s y m m e t r y o f

t h e w a l l ; . A s a r e s u l t w e n d

h = = ;

c

p

R

;

d

Z

( u e

z

) d : ( 4 . 1 2 )

F o r a g i v e n h e a t u x h , t h e p a r a m e t e r w i l l h a v e t o s a t i s f y t h e a b o v e

c o n s t r a i n t .

4 . 3 F l o w c o m p u t a t i o n s

T o i n v e s t i g a t e t h e u n s t e a d y l a m i n a r o w a t a f a i r l y h i g h R e y n o l d s n u m b e r ,

o w s i m u l a t i o n s h a v e b e e n c a r r i e d o u t u s i n g F E M a n d i m p o s i n g t h e p e r i o d i c

b o u n d a r y c o n d i t i o n s a s d i s c u s s e d i n t h e p r e v i o u s s e c t i o n . T o c a p t u r e t h e

o w p h e n o m e n a i t i s n e c e s s a r y t o r e n e t h e g r i d i n t h e b o u n d a r y l a y e r a n d

a r o u n d t h e t u r b u l a t o r s w h e r e b i f u r c a t i o n s w i l l o c c u r . T h e l o c a l r e n e m e n t

s h o u l d r e s o l v e t h e l a r g e g r a d i e n t s i n t h i s a r e a ( s e e g u r e 9 ) .

F i g u r e 9 : F i n i t e e l e m e n t m e s h ( 1 1 5 6 e l e m e n t s , 2 4 2 1 n o d e s )

S i n c e w e d o n o t k n o w b e f o r e h a n d a t w h i c h R e y n o l d s n u m b e r t h e d e s i r e d

o w b e h a v i o u r o c c u r s , w e u s e a c o n t i n u a t i o n t e c h n i q u e i n R e

H

b y c h a n g i n g

t h e p a r a m e t e r . W e s t a r t w i t h a s t e a d y - s t a t e i n i t i a l c o n d i t i o n ( u = 0 ) w i t h

= 0 a n d s o l v e t h e t i m e - d e p e n d e n t N a v i e r - S t o k e s e q u a t i o n s a n d c h a n g e

i n t i m e a c c o r d i n g t o

=

8


18/27

( a ) R e

H

= 1 0 0 ( b ) R e

H

= 4 0 0

( c ) R e

H

= 5 0 0

F i g u r e 1 0 : C o m p u t e d p a r t i c l e t r a j e c t o r i e s f o r s t e a d y - s t a t e s o l u t i o n s a t l o w

R e y n o l d s n u m b e r s

T h e r e f o r e w e b e g i n o u r c o m p u t a t i o n s w i t h a n E u l e r b a c k w a r d s c h e m e a n d

a t R e

H

= 3 0 0 w e m o d i f y t h e w a y w e v a r y t h e c o n t i n u a t i o n p a r a m e t e r .

R a t h e r t h a n u s i n g ( 4 . 1 3 ) , w e a p p l y a s t e p w i s e c h a n g e i n o f a b o u t 1 0 % a f t e r

w h i c h w e c o n t i n u e w i t h t h e i m p l i c i t s c h e m e f o r a w h i l e . T h e n w e s w i t c h t o a

C r a n k - N i c o l s o n t i m e i n t e g r a t i o n s c h e m e a n d u s e t h i s f r o m t h e n o n w a r d . I n

g u r e 1 1 w e s h o w t h e r e s u l t o f p a r t i c l e t r a c k i n g f o r o n e t i m e c y c l e s t a r t i n g

a t a c e r t a i n t i m e i n s t a n t t = t

0

. W e c a n c o n c l u d e t h a t a d u c t c o n s i s t i n g o f

t w o s e g m e n t s h a s a p e r i o d i c i t y i n d e x o f n = 2 . T h i s i m m e d i a t e l y r a i s e s t h e

i s s u e o f t h e r e l a t i o n b e t w e e n t h e n u m b e r o f p i p e s e g m e n t s c o n s i d e r e d a n d

t h e r e s u l t i n g v a l u e o f t h e p e r i o d i c i t y i n d e x . I t i s w o r t h w h i l e t o i n v e s t i g a t e

d u c t s w i t h m o r e t h a n t w o s e g m e n t s a s w e l l , w h i c h w e o m i t h e r e ( s e e 6 ] ) .

4 . 4 H e a t t r a n s f e r c o m p u t a t i o n s

A s p o i n t e d o u t b e f o r e w e s o l v e t h e e n e r g y e q u a t i o n a n d t h e N a v i e r - S t o k e s

e q u a t i o n s s e p a r a t e l y . H e a t t r a n s f e r c o m p u t a t i o n s a r e c a r r i e d o u t o n t h e

s a m e n i t e - e l e m e n t g r i d a s u s e d f o r t h e o w s i m u l a t i o n s . S i n c e t h e P r a n d t l

n u m b e r i s o f t h e o r d e r 1 , t h e b o u n d a r y l a y e r f o r t h e v e l o c i t y a n d t h a t f o r t h e

t e m p e r a t u r e h a v e a p p r o x i m a t e l y t h e s a m e t h i c k n e s s . T h i s m a k e s i t e a s i e r

t o u s e a s o l u t i o n f o r t h e v e l o c i t y e l d i n t h e p r o c e d u r e f o r t h e s o l u t i o n o f

t h e e n e r g y e q u a t i o n . T h e s i m u l a t i o n s a r e c a r r i e d o u t f o r P r = 0 : 7 u s i n g

t h e p e r i o d i c b o u n d a r y c o n d i t i o n s a s d e s c r i b e d b e f o r e . A n o v e r a l l N u s s e l t

1 8


19/27

( a ) t = 0 ( b ) t =

1

8

T

( c ) t =

2

8

T ( d ) t =

3

8

T

( e ) t =

4

8

T ( f ) t =

5

8

T

( g ) t =

6

8

T ( h ) t =

7

8

T

F i g u r e 1 1 : C o m p u t e d p a r t i c l e t r a j e c t o r i e s s t a r t i n g a t a c e r t a i n t i m e i n s t a n t

d u r i n g a t i m e c y c l e a t R e

H

= 5 5 0 ( T = 1 : 1 m s )

n u m b e r i s c o m p u t e d a s d e s c r i b e d i n s e c t i o n 2 . 3 . S i n c e t h e P r a n d t l n u m b e r

i s c o n s t a n t , t h e N u s s e l t n u m b e r o n l y d e p e n d s o n t h e R e y n o l d s n u m b e r . W e

r e m a r k t h a t i t s u c e s t o u s e t h e o w e l d f r o m t h e d o m a i n w i t h l e n g t h 2 ,

b e c a u s e N u i s a n i n t e g r a l q u a n t i t y . A l t h o u g h f o r a c e r t a i n R e y n o l d s n u m b e r

w e n d s l i g h t l y d i e r e n t o w p a t t e r n s f o r d o m a i n s o f d i e r e n t l e n g t h , t h e

N u s s e l t n u m b e r i s e x p e c t e d t o b e t h e s a m e i n t h e s e c a s e s .

I n g u r e 1 3 w e c a n o b s e r v e t h a t t h e N u s s e l t n u m b e r g r a d u a l l y i n c r e a s e s

u n t i l R e

H

= 3 0 0 . F o r R e

H

> 3 0 0 t h e c o o l i n g e c i e n c y l e v e l s o a n d v a r i e s

a b o u t a v a l u e o f 0 : 7 1 . A f u r t h e r i n c r e a s e o f N u m a y o n l y b e e x p e c t e d

a t l a r g e r R e y n o l d s n u m b e r s . T w o N u s s e l t n u m b e r d e n i t i o n s a r e u s e d f o r

1 9


20/27

( a ) P a r t i c l e t r a j e c t o r i e s ( b ) I s o l i n e s o f v o r t i c i t y

( c u r l u e

z

)

( c ) I s o l i n e s o f r e d u c e d p r e s s u r e

F i g u r e 1 2 : C o m p u t e d i n s t a n t a n e o u s q u a n t i t i e s f o r R e

H

= 5 5 0

c o m p a r i s o n w i t h g u r e 1 9 .

5 T u r b u l e n t F l o w S i m u l a t i o n s

I n s e c t i o n 4 w e h a v e p r e s e n t e d t h e n u m e r i c a l r e s u l t s o f o w s i m u l a t i o n s i n

t h e l a m i n a r o w r e g i m e . J u s t b e l o w R e

H

= 5 5 0 t h e o w b e c o m e s u n s t e a d y

a n d d i s p l a y s a n o s c i l l a t i n g b e h a v i o u r , w h i c h i s p e r i o d i c i n t i m e . H o w e v e r ,

i n t u r b i n e c o n d i t i o n s t h e c o o l a n t a i r o w i n t h e d u c t i s k n o w n t o b e c o m e

t u r b u l e n t . A r o u g h i n d i c a t i o n f o r t h e R e y n o l d s n u m b e r b a s e d o n t h e h y -

d r a u l i c d i a m e t e r i n t h i s c a s e w o u l d b e a b o u t 2 0 0 0 0 - 3 0 0 0 0 . I t i s c l e a r t h a t

w e s h o u l d n o t u s e d i r e c t n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ( D N S ) f o r t h i s t y p e o f o w .

T h e r e q u i r e m e n t s o n t h e n u m b e r o f g r i d p o i n t s w o u l d b e p r o h i b i t i v e .

5 . 1 T u r b u l a t o r s h a p e

W e a r e i n t e r e s t e d i n t h e c o o l i n g e c i e n c y o f t u r b u l a t e d d u c t s t h a t a r e p r o -

d u c e d w i t h t h e E C D t e c h n i q u e ( c f . 5 ] ) , w h i c h a l l o w s f o r a w i d e v a r i e t y

o f t u r b u l a t o r s h a p e s . I n t h e a n a l y s i s c a r r i e d o u t i n t h i s c h a p t e r , w e w i l l

c o n s i d e r o n l y f o u r d i e r e n t t y p e s o f t u r b u l a t o r s . T h e s e w i l l i n v o l v e o n t h e

o n e h a n d c o m m o n l y u s e d d u c t s h a p e s a n d o n t h e o t h e r h a n d a s p e c i a l s h a p e

w h i c h w e w o u l d l i k e t o a n a l y s e i n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e e n h a n c e m e n t , o r

2 0


21/27

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

2.00

2.17

2.33

2.50

2.67

100 200 300 400 500 600 R e H

N u

H

N u

D

h

F i g u r e 1 3 : N u s s e l t n u m b e r v e r s u s R e y n o l d s n u m b e r a t P r = 0 : 7

p o s s i b l y , d e t e r i o r a t i o n i n c o o l i n g e c i e n c y . F i g u r e 1 4 ( b ) c o n c e r n s a c a s e o f

a d e v i a t i n g t u r b u l a t o r s h a p e . H e r e t h e g e o m e t r y s l i g h t l y d i e r s f r o m t h e

s p e c i e d s h a p e a s s h o w n i n g u r e 1 4 ( a ) . A n o t h e r t y p e o f d e v i a t i o n i s a

m i s s i n g t u b u l a t o r i n a s e q u e n c e o f t u r b u l a t o r s , s a y o n e o u t o f e v e r y v e ( s e e

g u r e 1 4 ( d ) ) . O u r g o a l i s t o n d a r e l a t i o n b e t w e e n t h e N u s s e l t n u m b e r a n d

t h e R e y n o l d s n u m b e r f o r e a c h s h a p e , t h u s c h a r a c t e r i z i n g t h e h e a t t r a n s f e r

f o r t h a t s h a p e . I n t h e f o l l o w i n g t h e s h a p e s , d e p i c t e d i n g u r e 1 4 ( a ) - 1 4 ( d )

w i l l b e r e f e r r e d t o a s s h a p e 1 - 4 .

5 . 2 F l o w c o m p u t a t i o n s

F o r a c e r t a i n t u r b u l a t o r s h a p e t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s a r e p r e s e n t e d i n g u r e

1 5 . W e h a v e u s e d t h e p a c k a g e F L U E N T w h i c h e m p l o y s a k - " m o d e l . I t

i s c l e a r t h a t t h e m e a n o w v a r i a b l e s d i s p l a y a p e r i o d i c b e h a v i o u r w i t h a

p e r i o d i c i t y i n d e x e q u a l t o o n e . T h e k - " m o d e l i s u s e d i n c o m b i n a t i o n w i t h

s t a n d a r d w a l l f u n c t i o n s . I n o r d e r t o b e a b l e t o c a r r y o u t a m o d e l v a l i d a t i o n ,

t h e p h y s i c a l c o n s t a n t s a r e t a k e n s u c h t h a t t h e y c o r r e s p o n d t o t h e t h e r m a l

c o n d i t i o n s a t w h i c h t h e e x p e r i m e n t a l d a t a h a v e b e e n o b t a i n e d . F o r e a c h

t u r b u l a t o r s h a p e t h e o w e l d i s c o m p u t e d f o r d i e r e n t v a l u e s o f

m

s u c h

t h a t t h e R e y n o l d s n u m b e r v a r i e s i n t h e r a n g e 2 0 0 0 0 - 3 0 0 0 0 . T h i s R e y n o l d s

n u m b e r i s c o m p u t e d f r o m t h e s p e c i e d p e r i o d i c m a s s o w r a t e a s f o l l o w s

R e

D

h

=

4

m

D

h

: ( 5 . 1 )

F o r R e

D

h

= 2 5 0 0 0 t h e k e l d i s s h o w n f o r d i e r e n t t u r b u l a t o r s h a p e s . T h e

r e a s o n t h a t a p e r i o d i c i t y i n d e x o f 2 c a n b e o b s e r v e d i n g u r e 1 6 f o r s o m e

2 1


22/27

( a ) n a r r o w d u c t ( b ) d e v i a t i n g s h a p e

( c ) s p e c i a l s h a p e

( d ) m i s s i n g t u r b u l a t o r

F i g u r e 1 4 : D i e r e n t t u r b u l a t o r s h a p e s o b t a i n e d b y t h e E C D t e c h n i q u e

s h a p e s , i s t h a t t h e g e o m e t r y i s n o t p e r f e c t l y p e r i o d i c i t s e l f . T h e s e g e o m e t r i e s

a r e b a s e d o n a c t u a l p h o t o g r a p h s o f s u c h t u r b u l a t o r s .

5 . 3 H e a t t r a n s f e r c o m p u t a t i o n s

I n o r d e r t o b e a b l e t o s o l v e t h e p e r i o d i c h e a t t r a n s f e r t h e r e a r e s o m e s p e c i a l

c o n s t r a i n t s . T h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s f o r t h e t e m p e r a t u r e e l d m u s t e i t h e r

b e a c o n s t a n t h e a t u x o r a c o n s t a n t w a l l t e m p e r a t u r e . W e w i l l o p t f o r

t h e l a t t e r , s i n c e t h i s m a t c h e s t h e e x p e r i m e n t a l d a t a b e s t . A s t h e u i d o w s

t h r o u g h t h e p e r i o d i c d o m a i n , i t s t e m p e r a t u r e a p p r o a c h e s t h a t o f t h e w a l l .

H o w e v e r , t h e t e m p e r a t u r e c a n b e s c a l e d i n s u c h a w a y t h a t i t b e h a v e s i n

a p e r i o d i c m a n n e r . T h i s i s p o s s i b l e u n d e r t h e a s s u m p t i o n t h a t e v e n t u a l l y

t h e t e m p e r a t u r e b o u n d a r y - l a y e r h a s a c o n s t a n t t h i c k n e s s . W e t h e r e f o r e

i n t r o d u c e t h e s c a l e d t e m p e r a t u r e , d e n e d a s f o l l o w s

=

T ; T

w

T

b

; T

w

( 5 . 2 )

w h e r e T

w

i s t h e w a l l t e m p e r a t u r e a n d T

b

t h e b u l k t e m p e r a t u r e a s d e n e d

b y e q u a t i o n ( 2 . 1 3 ) . N o t e t h a t t h e p e r i o d i c t e m p e r a t u r e o b e y s a p e r i o d i c

2 2


23/27

c o n d i t i o n a c r o s s t h e s e g m e n t l e n g t h :

T ( r 0 t ) ; T

w

T

b

( 0 ) ; T

w

=

T ( r 2 ` t ) ; T

w

T

b

( 2 ) ; T

w

: ( 5 . 3 )

A n i n l e t b u l k t e m p e r a t u r e h a s t o b e s p e c i e d t o s c a l e t h e t e m p e r a t u r e e l d .

I n t h i s a p p r o a c h , a s a l r e a d y m e n t i o n e d a b o v e , t h e u i d p r o p e r t i e s a r e n o t

a l l o w e d t o d e p e n d o n t h e t e m p e r a t u r e .

L o c a l h e a t t r a n s f e r c o e c i e n t s f o r t h e i n d i v i d u a l w a l l c e l l s a r e c a l c u l a t e d

u s i n g t h e t e m p e r a t u r e d i e r e n c e b e t w e e n t h e w a l l c e l l s u r f a c e t e m p e r a t u r e

a n d t h e c e l l a v e r a g e t e m p e r a t u r e o f t h e u i d . F i g u r e 1 8 s h o w s a p l o t o f t h e s e

v a l u e s b e l o n g i n g t o t h e t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n f r o m g u r e 1 7 ( b ) . T o h a v e

t h e p r o p e r i n t e r p r e t a t i o n o f t h e r e s u l t s w e h a v e t o c o m p a r e t h e m w i t h a

r e f e r e n c e v a l u e . T h e m o s t n a t u r a l c h o i c e w o u l d b e t h e v a l u e s f o r a s m o o t h

d u c t . T h e n w e c a n e x p r e s s a l l N u s s e l t n u m b e r s r e l a t i v e t o t h e s m o o t h d u c t .

T o t h i s e n d w e u s e t h e D i t t u s - B o e l t e r c o r r e l a t i o n ( s e e 2 ] p . 3 1 5 ) w h i c h g i v e s

t h e f o l l o w i n g N u s s e l t n u m b e r f o r m u l a

N u = 0 : 0 2 3 R e

0 8

D

h

P r

0 4

: ( 5 . 4 )

T h i s f o r m u l a m a k e s s e n s e f o r a p i p e w i t h s m o o t h i n t e r n a l s u r f a c e a n d h o l d s

i n t h e r a n g e 0 : 7 P r 1 2 0 a n d 2 5 0 0 R e

D

h

1 : 2 4 1 0

5

. I n g u r e 1 9 t h e

N u s s e l t n u m b e r i s p l o t t e d a g a i n s t t h e R e y n o l d s n u m b e r h e r e w e h a v e u s e d

( 5 . 4 ) t o q u a n t i f y t h e N u s s e l t n u m b e r f o r a s m o o t h d u c t .

W e c o n c l u d e t h e f o l l o w i n g : F i r s t o f a l l w e s e e t h a t a c o o l i n g d u c t w i t h

t u r b u l a t o r s h a s a c o n s i d e r a b l e h i g h e r c o o l i n g e c i e n c y t h a n a s m o o t h d u c t .

H o w e v e r , t h i s e c i e n c y m a y d e c r e a s e d r a m a t i c a l l y i f a t u r b u l a t e d d u c t h a s

a d e f e c t l i k e t h e o n e i n g u r e 1 4 ( d ) w h e r e o u t o f v e t u r b u l a t o r s o n e i s

m i s s i n g . S u c h a s i t u a t i o n m a y o c c u r w h e n t h e d r i l l i n g p r o d u c t i o n p r o c e s s

h a m p e r s . F u r t h e r m o r e i t t u r n s o u t t h a t t u r b u l a t o r s h a p e 2 , w h i c h i s c o n s i d -

e r e d a d e v i a t i o n f r o m a s p e c i e d s h a p e , a c t u a l l y g i v e s a s l i g h t e n h a n c e m e n t

i n h e a t t r a n s f e r c o m p a r e d t o t u r b u l a t o r s h a p e 1 ( s e e g u r e 1 9 ) . A p o s s i b l e

e x p l a n a t i o n f o r t h i s b e h a v i o u r i s t h e t u r b u l a t o r b e c o m i n g m o r e p r o n o u n c e d

d u e t o e x t r a c o r r o s i o n c a u s e d i n t h e d r i l l i n g p r o c e s s . T h i s c a n b e t a k e n i n t o

a c c o u n t w h e n t u n i n g t h e d r i l l i n g p a r a m e t e r s . B y a v e r y d e l i c a t e t u n i n g o f

t h e s e p a r a m e t e r s t u r b u l a t o r s h a p e 3 c a n b e o b t a i n e d . T h e d e s i r e d e e c t o f

t h e d e s i g n o f t h i s p a r t i c u l a r s h a p e i s a c h i e v e d n a m e l y a 2 0 % i n c r e a s e o f

c o o l i n g e c i e n c y i s f o u n d r e l a t i v e t o t u r b u l a t o r s h a p e 1 . T o v a l i d a t e t h e

n u m e r i c a l r e s u l t s w e h a v e c o m p a r e d t h e r e s u l t s d e p i c t e d i n g u r e 1 9 w i t h

2 3


24/27

t h e r e s u l t s i n 9 ] . I n t h i s p a p e r e x p e r i m e n t a l d a t a o n h e a t t r a n s f e r a r e p r e -

s e n t e d f o r a n e v e n l a r g e r v a r i e t y o f t u r b u l a t o r s h a p e s . I f w e c o m p a r e t h e

N u s s e l t n u m b e r s f o r t u r b u l a t o r s h a p e s s i m i l a r t o t h e o n e s s h o w n i n g u r e

1 4 , w e n d 1 0 0


25/27

1 0 ] D . C . W i l c o x , T u r b u l e n c e m o d e l i n g f o r c f d , G r i n P r i n t i n g , G l e n d a l e ,

1 9 9 3 .

2 5


26/27

( a ) S t r e a m l i n e s ( b ) S t a t i c p r e s s u r e

( c ) T u r b u l e n t k i n e t i c e n -

e r g y k

( d ) E e c t i v e v i s c o s i t y

t

F i g u r e 1 5 : I s o l i n e s o f c o m p u t e d s t e a d y - s t a t e m e a n q u a n t i t i e s a t R e

D

h

=

2 5 0 0 0 f o r t u r b u l a t o r s h a p e 1

( a ) s h a p e 1 ( b ) s h a p e 2

( c ) s h a p e 3

( d ) s h a p e 4

F i g u r e 1 6 : I s o l i n e s o f k i n e t i c t u r b u l e n t e n e r g y a t R e

D

h

= 2 5 0 0 0 , u n i f o r m l y

d i s t r i b u t e d

2 6


27/27

( a ) S c a l e d p e r i o d i c t e m p e r a t u r e ( b ) A c t u a l t e m p e r a t u r e

F i g u r e 1 7 : C o m p u t e d s t e a d y - s t a t e q u a n t i t i e s a t R e

D

h

= 2 5 0 0 0 , P r = 0 : 7

f o r t u r b u l a t o r s h a p e 1

0.0E+00

5.0E+03

1.0E+04

1.5E+04

2.0E+04

2.5E+04

3.0E+04

0E+00 2E-03 4E-03 6E-03 8E-03

z

F i g u r e 1 8 : L o c a l v a l u e s f o r t h e c o e c i e n t o f h e a t t r a n s f e r a l o n g t h e s u r f a c e

W m

; 2

K

; 1

] v e r s u s t h e a x i a l c o o r d i n a t e f o r t u r b u l a t o r s h a p e 1

0

50

100

150

200

250

300

350

400

1.6E+04 2.0E+04 2.4E+04 2.8E+04 3.2E+04

shape 1shape 2shape 3shape 4smooth

N u

D

h

R e

D

h

F i g u r e 1 9 : N u s s e l t n u m b e r v e r s u s R e y n o l d s n u m b e r f o r d i e r e n t t u r b u l a t o r

s h a p e s

2 7

noot, mj & mattheij, r.m.m. - numerical analysis of turbine blade cooling ducts [eindhoven uni 19

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