Heat transfer analysis in high aspect ratio rectangular channels with ribbed surfaces in low-Reynolds flow regimes

This Ph.D. thesis investigates forced convection heat transfer in rectangular channels with ribbed surfaces, integrating experimental studies, multi-scale CFD simulations, and topology optimization to improve thermal performance while maintaining low pressure drops. The work addresses transitional flow regimes (Re = 500 - 8000) and high aspect ratio channels (AR = 10), which are relevant for industrial applications in compact heat exchangers. A Reynolds-Averaged Navier–Stokes (RANS) CFD setup has provided an effective framework for modeling turbulent flows in conventional rib configurations, capturing global thermal and fluid dynamic characteristics and enabling parametric studies. To overcome limitations of RANS in resolving complex vortex dynamics, high-fidelity Large Eddy Simulations (LES) have been performed, capturing flow separation, recirculation zones, and local vortex structures that are difficult to obtain experimentally or with RANS alone. Experimental investigations, including updated convective heat transfer setups and a dedicated flow visualization apparatus, have validated numerical results, highlighted practical constraints from complex geometries and revealed local flow phenomena. By combining experimental data with RANS and LES, the study establishes a basis for evaluating and optimizing turbulator geometries, enabling numerical predictions and experimental observations to complement each other. Topology optimization has generated novel non-intuitive turbulator designs balancing heat transfer enhancement and pressure losses. The selected configuration achieved heat transfer comparable to conventional ribs while reducing pressure drop, demonstrating a favorable thermal-hydraulic trade-off. The integration of experimental data, RANS, LES, and topology optimization has enabled a systematic approach for evaluating and optimizing turbulator geometries, offering a framework to guide future design and assessment of efficient heat exchangers. Overall, the work demonstrates that combining experiments, multi-scale CFD, and topology optimization can provide a powerful methodology for investigating complex thermo-fluid processes, improving heat exchanger performance, and supporting the development of innovative thermal management solutions.

Il presente lavoro di ricerca riguarda lo studio dello scambio termico in convezione forzata all'interno di canali rettangolari con superfici variamente strutturate (ribs). Esso integra studi sperimentali, analisi di fluidodinamica computazionale (CFD) multiscala e ottimizzazione topologica al fine di migliorare le prestazioni termiche dello scambiatore in oggetto, mantenendo, allo stesso tempo, contenute le perdite di carico. Il lavoro affronta un regime di moto che comprende la zona di transizione laminare - turbolento (numeri di Reynolds compresi tra 500 e 8000) e canali rettangolari ad alto aspetto di forma (1:10), i quali sono di grande interesse industriale perché largamente utilizzati in varie applicazioni ingegneristiche che richiedono l'impiego di scambiatori di calore compatti. È stato sviluppato un modello CFD basato sull'approccio RANS (equazioni di Navier-Stokes mediate), che rappresenta uno strumento efficace per la modellizzazione di flussi turbolenti in canali con superfici strutturate convenzionali. Questo modello è in grado di catturare le caratteristiche termiche e fluidodinamiche globali e può consentire di svolgere studi parametrici in modo efficiente. Al fine di superare i limiti delle simulazioni RANS nella risoluzione dei moti turbolenti complessi indotti dalle ribs in canali rettangolari, sono state eseguite simulazioni LES. Tramite il loro utilizzo è stato possibile modellare strutture vorticose e fenomeni fluidodinamici difficili da ottenere sperimentalmente o con la sola modellazione RANS. I risultati numerici sono poi stati validati grazie a indagini sperimentali, condotte utilizzando apparati sperimentali per analisi termiche e fluidodinamiche. Tramite ottimizzazione topologica sono stati generati nuovi turbolatori di forma non intuitiva che bilanciano le prestazioni di scambio termico unitamente alle perdite di pressione. La configurazione selezionata, in particolare, ha raggiunto prestazioni termiche paragonabili a quelle delle superfici strutturate tradizionali, riducendo al contempo la caduta di pressione e dimostrando un compromesso termo-idraulico favorevole. Combinando i dati sperimentali con quelli derivanti da simulazioni RANS e LES su geometrie complesse utilizzate come superfici strutturate innovative, è stata ottenuta una base per la valutazione e l'ottimizzazione di questi nuovi turbolatori di flusso, consentendo ai risultati numerici e a quelli sperimentali di completarsi a vicenda. Questo approccio ha consentito di sviluppare un quadro di riferimento per guidare la progettazione e la valutazione di futuri scambiatori di calore efficienti. Complessivamente, il lavoro dimostra che la combinazione di attività sperimentali con la fluidodinamica computazionale multiscala e l'ottimizzazione topologica potrebbe fornire una metodologia efficace per lo studio di processi termo-fluidodinamici complessi, il miglioramento delle prestazioni degli scambiatori di calore considerati e il supporto allo sviluppo di soluzioni innovative per la gestione termica.