Analisi della convezione forzata su superfici variamente strutturate

Heat transfer in forced convection inside rectangular channels is a very interesting matter for industry since it is encountered in critic heat transfer applications like gas-turbine blade cooling, as well as in devices largely used such as plate-fin compact heat exchangers. In designing these devices, high values of heat transfer area per unit volume are looked for; however, if this parameter is increased over a given value, thermal performances start worsening. To overcome this limit, designer enhances heat transfer by configuring surfaces with a large variety of fins and ribs, which are an efficient and cost-effective solution. Thus, a large number of experimental studies examines heat transfer over enhanced surfaces; however, data-base on rib-roughened surfaces is still rather lacking, and hence we recently started to investigate forced convection inside ribbed channels. In this work I present experimental results on average heat transfer characteristics of a forced air-flow through a rectangular channel with the lower and upper surfaces with different kind of ribs. The duct cross-section is 120 mm wide and 12 mm height, and the channel is operated with the lower and upper walls at fixed temperature while keeping adiabatic the others. Ribs have all a square cross section but with different side size (2 or 4 mm), angles over flow direction (90° or 60°), and pitch-to-side ratios (10, 20 or 40). Air flow rates have been varied in order to investigate Reynolds numbers, based on the duct hydraulic diameter, between 600 and 8000. The average Nusselt numbers are estimated by the temperature differences between air and wall at both entering and exiting section of the heated zone. The test channel is also equipped with two static pressure taps located upstream and downstream the heated area to estimate the Darcy-Weisbach friction factor. In addition to the average data, here I also present first results on local heat transfer measurements by IR-thermography for some of the configurations previously listed. To perform these measurements, the test section was properly modified; the lower wall is operated at fixed heat flux while keeping adiabatic the upper one and mounting a 120-mm long, 80-mm germanium window. All our experimental procedures were tested by measuring heat transfer coefficients and pressure drops for forced air-flows through the test sections configured with flat walls. Agreement between experimental and expected values is very good, i.e., within 5 %, without any appreciable differences between data by the two different test sections. The collected heat transfer data show flow regime seems to be turbulent since the lowest value of Re, at least for the configurations with the shortest pitch; Nusselt number displays a power law dependence on Re with the same exponent as in the flat channel but with a multiplying constant two or three times larger. Friction factor data display the typical trend of flows through a duct with k-rough surfaces, i.e., the friction factor becomes independent of Re for sufficiently high values of Re; this behaviour is not trivial and it is the subject of some new very interesting papers. Heat transfer and friction data have been also jointly analysed by means of three several performance comparison criteria, e.g., at constant mass flow rate, at fixed pumping power, and at fixed heat throughput. Finally, local measurements clearly highlight rib-effects on fluid-dynamic and heat transfer.

Il presente lavoro di ricerca riguarda lo studio sperimentale della termofluidodinamica nella convezione forzata interna/esterna di aria su superfici con corrugazioni con diverse geometrie e dimensioni. Lo scambio termico in convezione forzata all'interno di canali rettangolari con superfici variamente strutturate è una situazione di grande interesse industriale perché utilizzata sia in componenti di largo uso, come gli scambiatori di calore compatti ad alette estese, i componenti elettronici, sia per l'ottimizzazione di sistemi in cui lo scambio termico svolge un ruolo fondamentale, come ad esempio gli assorbitori solari, sia in situazioni critiche di raffreddamento come nel caso di palette di turbina a gas, reattori nucleari. L'uso di superfici ad alta efficienza, progettabili anche grazie ai dati, criteri e correlazioni prodotti con questa ricerca, permetterebbe di incrementare apprezzabilmente lo scambio termico lato aria, il che aiuterebbe l'industria italiana a restare competitiva in questo mercato di sistemi/componenti ad alta tecnologia o a larga diffusione. Il raffreddamento delle pale di turbine a gas, impiegate nei cicli termodinamici sia per propulsione aeronautica che per la produzione di energia o per processi industriali, è stato il campo d'interesse che storicamente ha maggiormente interessato questo campo di ricerca sia per le condizioni operative che per la varietà di soluzioni tecnologiche approfondite e proposte. L'interesse economico delle ricerche scientifiche in questo campo è di immediata comprensione dal momento che i rendimenti e le prestazioni del ciclo termodinamico sono spesso vincolate dalla massima temperatura a cui può operare la turbina. Mettere a disposizione dell'industria sistemi di raffreddamento più efficienti significa permettere il raggiungimento di rendimenti più alti e la riduzione dei costi, degli ingombri e dei pesi. All'interno delle pale della turbina ci sono canali, solitamente rettangolari, all'interno dei quali scorre aria. Per aumentare lo scambio termico le superfici del canale sono corrugate con una grande varietà di elementi geometrici: nervature (rib), scanalature (groove), imbutiture (pin fin), piccoli cubi, piramidi o altri elementi tridimensionali. L'analisi sperimentale consiste nella determinazione delle caratteristiche di scambio termico nella convezione forzata di aria all'interno di canali a sezione rettangolare con le superfici inferiore e superiore corrugate attraverso nervature. Questa analisi viene condotta per via sperimentale sia tramite misure convenzionali delle prestazioni complessive, sia attraverso misure locali con termografia infrarossa, molto utili per comprendere in che modo le corrugazioni influenzano la termofluidodinamica. Per mettere a punto la tecnica di misura locale attraverso termocamera IR, si è usato un'apparato sperimentale in geometria esterna (la sezione di prova con lastra nervata è posta nella camera di prova in galleria del vento). L'esposizione del lavoro si articola in tre parti: la prima richiama le tecniche di incremento di scambio termico, lo stato dell'arte e la teoria di strato limite su superfici rugose; la seconda descrive i diversi apparati sperimentali usati, le tecniche di misura e l'analisi degli errori; la terza parte riporta i risultati dell'attività sperimentale. Si riportano le misure locali del coefficiente di scambio termico su lastra con nervature trasversali, configurazione analizzata in geometria esterna usata per mettere a punto la tecnica di misura locale attraverso termografia infrarossa. Per ogni configurazione viene proposta una correlazione che lega il numero di Nusselt al numero di Reynolds e a quello di Prandtl. Si presentano poi tutti i risultati dello studio in geometria esterna sia del coefficiente di scambio termico medio che del fattore di attrito. Dal momento che si sono studiate più di trenta diverse configurazioni geometriche si è ritenuto opportuno presentare i risultati suddivisi per famiglie geometriche. Per ogni configurazione, si presentano l'andamenti del numero di Nusselt e quello del fattore di attrito, entrambi rispetto al numero di Reynolds. Sempre relativamente alle diverse famiglie geometriche testate, sono state valutate due tipologie di correlazioni: la prima, come per i casi in geometria interna, lega il numero di Nusselt a quello di Reynolds e a quello di Prandtl; la seconda tipologia invece ha l'ambizione di legare il numero di Nusselt, oltre che al numero di Reynolds e a quello di Prandtl, anche ad alcuni parametri geometrici quali il passo adimensionale, il rapporto dello spigolo della nervatura rispetto al diametro idraulico ed eventualmente l'angolo d'inclinazione delle nervature. Viene poi verificata in regime turbolento l'indipendenza dello scambio termico dalle condizioni al contorno. Infatti il numero di Nusselt misurato nel canale con pareti piane con due pareti riscaldate a temperatura imposta e il medesimo di quello misurato nel canale con pareti piane, una sola delle quali riscaldata con flusso termico imposto. Si riportano poi le indagini locali fatte per una configurazione geometria. Sono poi riportati i quattro diversi criteri di confronto in grafici bidimensionali che interpolano i dati misurati, dando una percezione immediata della presenza o meno di un ottimo e dei paragoni tra le configurazioni nel campo considerato, soprattutto in termini di influenza del numero di Reynolds e del passo adimensionale sull'efficienza relativa al criterio graficato. Alla luce di nuovi lavori di gruppi di ricerca in ambito fluidodinamico, si approfondisce il tema della dissipazione viscosa utilizzata per il calcolo del fattore d'attrito. Questo approccio al problema sembra essere promettente perché aiuterebbe a ridurre la grande varietà di geometrie possibili, raggruppandole a seconda degli effetti termofluidodinamici simili che esse promuovono.