Local heat transfer measurement inside a rectangular rib-enhanced channel, for low-Reynolds flow regimes

This thesis describes the development and first results of an IR-thermography-based experimental technique for measuring the local heat transfer enhancement induced by ribs in a channel in steady state, aimed at improving the resolution and the accuracy of the current state-of-the-art. It has been tested in a 1:10 AR channel, for Reynolds numbers ranging from 650 to 7500 and for air flow, for the smooth channel and for four configurations, namely transverse ribs, parallel, V-up and V-down, the last three with an angle of incidence of 60°, all with P/e = 20, e = 4 mm and e/H = 0.33. The local convective heat flux and Nusselt enhancement maps are retrieved. Among the results, the highlights are the retrieval of heat transfer enhancement due to the vortices induced by the corners in the smooth configuration, the higher performance of the V-down configuration with respect to the others in the whole Reynolds range, and the trends of average heat transfer increment in the transition Reynolds regime. Finally, the heat flux analysis shows that, as the Reynolds number decreases, the higher is the relative weight of non-convective heat fluxes, up to 60% at Re = 650, and therefore the higher the advantages of the detailed models proposed in this work.

Questo lavoro descrive lo sviluppo di una tecnica sperimentale basata su termografia IR per misurare l’incremento di scambio termico convettivo indotto da nervature in un canale in stato stazionario, con l’obiettivo di migliorare la risoluzione e l’accuratezza delle tecniche allo stato dell’arte. Tale tecnica è stata applicata su un canale a sezione rettangolare con un rapporto di forma di 1:10, per numeri di Reynolds compresi fra 650 e 7500 e un flusso di aria. Le configurazioni di nervature, oltre al canale liscio, sono: perpendicolare al flusso, parallele, a V con punta in direzione del flusso e a V con punta in direzione opposta, le ultime tre con incidenza di 60° rispetto alla direzione del flusso. I parametri geometrici sono P/e = 20, e = 4 mm e e/H = 0.33. Si sono misurate le mappe di flusso convettivo e di incremento di numero di Nusselt. Dai risultati si osservano in particolare il profilo di incremento di scambio termico nel canale liscio causato dai vortici in corrispondenza degli angoli, le migliori performance termiche della configurazione V-down in tutto il range di numeri di Reynolds, e le curve per tutte le configurazioni di incremento medio di scambio termico nel regime di transizione relativo al canale liscio. Infine, l’analisi dei flussi termici mostra come, al diminuire del numero di Reynolds, vi è un incremento peso relativo dei flussi non-convettivi fino al 60% a Re = 650, e quindi maggiore è il vantaggio di metodi basati su una dettagliata modellazione dei flussi termici, come quelli proposti in questo lavoro.