Experimental investigation of surface roughness in additive manufactured channels with high prandtl number fluids

Surface roughness introduced by Additive Manufacturing is responsible for non-linearities in Fluid Dynamics and Heat transfer performances. Density, geometry, and intensity of the metal clusters solidified on the printed surface during the production affect the interaction between the solid and the fluid. Important deviations from the expected behaviour of smooth channel are present, and furthermore these deviations are not easily interpretable by the knowledge of the microscopic structure of the solid-liquid interface; this thesis aims to investigate how different types of surface roughness impact the Darcy Friction factor and the Nusselt number of straight and circular ducts. In this work emerges how simple methods used to evaluate the surface roughness are not enough to describe neither the fluid dynamics nor the heat transfer and therefore deeper studies that focus on the characterization of the parameters needed to describe surface roughness are claimed. Despite it is still unknown how to predict performances, in this thesis some patterns have been found, in example it is possible to see how the surface roughness topology of Aluminium test-objects and Stainless Steel ones is similar, translatable in similar trends of the Darcy Friction factor and of the Nusselt number. A completely different behaviour has instead been found in Inconel-939 test-objects. After almost two years of work and three different test rig setups it has been finally possible to proceed with the analysis of experimental data; injection of electrical current inside the test-objects in order to exploit the Joule heating principle allowed to perform several tests and to obtain valuable results. These results, as previously said, lead to the conclusions that surface roughness needs better understanding suggesting also a stronger dependence of the thermal performance on Prandtl number with respect what known literature suggests for smooth channel. Furthermore, also Reynolds number seems to play a very important role, non-linearities that reflect on the change in behaviour of the relative performance enhancement with the reference case (smooth channel) can be assesed to this dimensionless group. Differently from the Prandtl number, to give a quantitative indication further studies are needed, but what can be said is that the effect of the surface roughness in the boundary layer profile weights differently depending on the turbulent regime the fluid undergoes. While the effects of the roughness topologies on fluid dynamics seems to be quiet linear and not fuzzy, completely different is for the thermal performance, roughness strongly impacts the turbulence inside the channel which in turn strongly influences the heat transfer coefficient and so the Nusselt number.

La rugosità superficiale introdotta dall'Additive Manufacturing è responsabile di non linearità delle prestazioni fluidodinamiche e di scambio termico. La densità, la geometria e l'intensità dei clusters metallici depositati sulla superficie stampata durante la produzione influenzano l'interazione all'interfaccia tra il solido e il fluido. Sono presenti importanti deviazioni dal comportamento previsto per un canale liscio, e inoltre queste deviazioni non sono facilmente interpretabili dalla conoscenza della struttura microscopica all'interfaccia tra il solido e il liquido; questa tesi si pone l'obiettivo di indagare come diversi tipi di rugosità superficiale influenzino il fattore di attrito di Darcy e il numero di Nusselt di canali rettilinei e circolari. In questo lavoro emerge come i semplici metodi utilizzati per valutare la rugosità superficiale non sono sufficienti a descrivere né la fluidodinamica né lo scambio termico all'interno dei canali prodotti tramite Additive Manufacturing. Pertanto studi più approfonditi che si concentrino sulla caratterizzazione dei parametri necessari per descrivere la rugosità della superficie sono necessari. Nonostante non sia ancora noto come prevedere le prestazioni, in questa tesi sono stati trovati alcuni patterns, ad esempio è possibile vedere come la topologia della rugosità superficiale dei provini in Alluminio e in Acciaio Inossidabile sia simile, il che si traduce in andamenti simili del fattore di attrito di Darcy e del numero di Nusselt. Un comportamento completamente diverso è stato invece riscontrato negli provini fabbricati in Inconel-939}. Dopo quasi due anni di lavoro e tre diverse configurazioni dell'apparato di misura, è stato finalmente possibile procedere all'analisi dei dati sperimentali; l'iniezione di corrente elettrica all'interno degli oggetti da testare, sfruttando il principio dell'effetto Joule, ha permesso di eseguire diverse prove e di ottenere risultati apprezzabili. Questi risultati, come già detto, portano alla conclusione che la rugosità superficiale deve essere meglio compresa, suggerendo anche una maggiore dipendenza delle prestazioni termiche dal numero di Prandtl rispetto a quanto riportato dalla letteratura per i canali lisci. Inoltre, anche il numero di Reynolds sembra giocare un ruolo molto importante, le non linearità che si riflettono sul cambiamento del comportamento dell'incremento di prestazioni rispetto al caso di riferimento (canale liscio) possono essere attribuite a questo gruppo dimensionale. Diversamente dal numero di Prandtl, per dare un'indicazione quantitativa sono necessari ulteriori studi, ma quello che si può dire è che l'effetto della rugosità della superficie nello strato limite impatta in modo diverso a seconda del regime di turbolenza a cui è sottoposto il fluido di lavoro. Mentre gli effetti delle topologie di scabrezza sulla fluidodinamica sembrano essere correlabili e non sfumate, completamente diverso è per lo scambio termico, la rugosità impatta fortemente sulla turbolenza all'interno del canale che a sua volta influisce in modo importante sul coefficiente di scambio termico e quindi il numero di Nusselt.