An experimental study on fluid dynamics in straight and bend channels

The present analysis is pertaining to an experimental investigation and an explorative statistical study, on fluid dynamics in forced internal convection over a surface enhanced by different geometries and scale structures inside rectangular channels. Heat transfer, through internal forced convection, is a very interesting matter for industrial applications. This is encountered in critical heat transfer applications such as turbine-blade cooling as well as in devices which are largely used in compact exchangers like plate - fins. Enhancing heat transfer in these situations it would mean the operating limits are increased and thus a more efficient and compact device is created. In modern Gas turbine blades, to improve thermal efficiency and power output it is necessary to operate at high inlet temperatures or TIT (1100 - 1350 °C). Nowadays the increasing of TIT has a limitation due to metal melting temperature, but recent studies have demonstrated that developments in achieving a better cooling of the turbine blade can allow the increasing of the TIT. The cooling of the blades is becoming an engineering challenge; In detail, in a blade: the leading edge is cooled by jet impingement, the trailing edge by pin fins and the middle region is cooled by rib-roughened coolant passages The first part of this work is focused on the fluid dynamic and heat transfer investigations of a straight channel with different configurations of periodic ribs. In reality, this work deals with three different steps. Starting from the huge data-base, belonging to the ThermaLab Group, relating to 49 different rib configurations arranged on a straight channel of Dh= 40mm in 8 different Reynolds numbers with 3 different non dimensional pitches (PR10, PR20, PR40) with 2 different rib heights (2mm and 4mm), the aim of this study is to find macro-families of configurations with almost the same performances, using a smart mathematical tool. Focusing on the 4 main parameters, influencing the performance of the different configurations: height of the rib, pitch, arrangement and design, the weight has been calculated for each one. Experimental tests have been conducted in order to confirm statistical results. Fluid dynamic investigations of the flow, show that different configurations of ribs but belonging to the same macro-family, have almost the same performance but different fluid dynamics behaviors. The experimental tools used for this study have been PIV arrangement and hot wire anemometry CTA. Thanks to the intership period at the Lund University, the present research include also an experimental analysis about pressure drop reduction and heat transfer enhancement in a U bend geometry, by the employment of various configurations of guide vanes and two different shape of ribs on the endwall. Eleven different cases of guide vanes were tested, including the baseline one, without vanes. The working Reynolds number is 26000. Results highlight that the use of special guide vanes reduce pressure penalty till a maximum of 31%. The local heat transfer is dominated by the impingement in the outer wall: guide vanes switch off this effect while ribs will enhance it. Joining particular types of guide vanes and the presence of ribs arrangement on the outer wall, heat transfer is enhanced up to a maximum of 31% with a pressure drop gain of 7% with respect to the baseline. In order to select, the best guide vanes and ribs configuration, the thermal performance parameter has been determined.

Il lavoro di tesi è strutturato in un’analisi fluidodinamica e termica di un canale a sezione rettangolare, opportunamente progettato e realizzato per lo scopo, in cui scorre aria in convezione forzata. Le pareti superiore ed inferiore del canale presentano nervature, disposte in diverse configurazioni, che destabilizzano il flusso, generando turbolenza e modificando le proprietà di scambio termico del canale. Ci sono numerosissime possibili configurazioni di studio sia legate alla scelta delle nervature, sia alla realizzazione del canale, sia alle condizioni operative. Per quanto riguarda le nervature i diversi parametri in gioco sono: la forma della sezione (quadrata, rettangolare, trapezoidale, triangolare...); lo sviluppo longitudinale (liscio, a dente di sega, forato, a campata...); lo sviluppo in altezza rispetto alla superficie (parametro e); la disposizione rispetto al flusso, chiamata anche configurazione geometrica (nervature trasversali, oblique, a V, continue o interrotte...); la distanza tra una nervatura e la successiva, chiamata anche passo (parametro p oppure quello adimensionale p/e o PR, più comunemente usato). Esistono dunque, “infinite” configurazioni di superfici variamente strutturate. Dati di letteratura e prove termiche finora effettuate[4-12] mostrano che configurazioni apparentemente diverse hanno prestazioni simili. Nell’ambito delle 49 configurazioni in 8 diversi regimi di moto, analizzate dai precedenti lavori del gruppo di ricerca, il primo obiettivo del presente lavoro è stato quello di utilizzare un robusto strumento statistico-matematico di clustering agglomerativo, gerarchico, per “scalare” configurazioni anche molto diverse tra loro in tema di forma, ma recanti prestazioni simili. Questo primo passo ha permesso di realizzare una rigida classificazione matematica in macrofamiglie denominate dendogrammi, delle oltre 392 tipologie di assetti resi disponibili dal data base del gruppo di ricerca. In dettaglio, l’algoritmo matematico è stato implementato in modo che ciascuna macrofamiglia comprendesse configurazioni diverse in termini di forma ma simili dal punto di vista delle prestazioni termo-fluidodinamiche. In seconda battuta, ci si è concentrati sull’individuazione di parametri “smart”, afferenti a ciascuna macrofamiglia individuata, che godessero di un maggior peso, in tema di incremento delle prestazioni. Il tutto è stato realizzato, mediante l’azione congiunta di una speciale analisi statistica e di prove sperimentali fluidodinamiche di conferma. Un terzo obiettivo è stato quello di effettuare delle speciali indagini fluidodinamiche sui flussi, per mostrare come configurazioni con forme diverse ma afferenti alla stessa macrofamiglia, dimostrassero differenti comportamenti fluidodinamici (soprattutto in tema di moti secondari) a parità di prestazioni. Strumenti di indagine sperimentale sul campo di moto: PIV e l’anemometria a filo caldo. In ultima analisi, nel periodo di Intership presso l’Università di Lund, ci si è occupati di studiare numerosi nuovi assetti di guide fluidodinamiche, capaci da ridurre di circa il 31% l’ingente perdita di carico in corrispondenza della regione curva della serpentina di raffreddamento, avendo cura di favorire l’incremento di scambio termico mediante la successiva aggiunta di particolari turbolenziatori.