Numerical thermo-fluid dynamics analysis of a wavy heat exchanger

Wavy heat exchangers represent a valid alternative to traditional straight-duct ones, in terms of both compactness and thermal performance. Thanks to complex fluid-dynamics phenomena that realize inside these channels, it is possible obtaining high performance in compact spaces. Aim of this work is to analyze (numerically) the influence of certain geometric parameters (pitch angle, Aspect Ratio and corrugation pitch) on performance indexes and to define optimized geometries, namely the ones which performance factors are the best. This research is carried out using a parametrical-statistical algorithm (Taguchi method), that also allows to quantify the effect of each geometric parameter on performance factors. Finally, the laminar-turbulent transitional regime in analyzed in details using Large Eddy Simulation for the configuration with the most acute pitch angle. Results show that geometry and flow regime deeply affect thermal performance. Furthermore results show that the Taguchi method has strong limitations as parametric designing tool due to its strong dependence from required local inputs (local Reynolds number and local heat transfer coefficient) that used model cannot accurately reproduce. However, due to the good agreement between numerical and experimental data for global performance indexes, it is possible defining optimized geometries, limiting the analysis only to the configurations with less acute pitch angle.

Gli scambiatori di calore a canali ondulati rappresentano una valida alternativa ai tradizionali sistemi a condotti rettilinei in termini di compattezza ed efficienza. Grazie a complessi fenomeni fluidodinamici che si instaurano internamente ad essi è possibile ottenere elevate prestazioni termo-fluidodinamiche in spazi ridotti. Scopo della tesi è di analizzare (per via numerica) l’influenza di determinati parametri geometrici (angolo di picco, Aspect Ratio e passo) sugli indici di performance dei diversi scambiatori e di definire le geometrie ottimali, ossia quelle che massimizzano tali indici. Tale ricerca è condotta attraverso l’utilizzo di un algoritmo parametrico-statistico (metodo di Taguchi) che consente inoltre di quantificare l’effetto di ogni parametro geometrico sugli indici di performance. Infine è condotto uno studio del regime di moto di transizione laminare-turbolento utilizzando la Large Eddy Simulation per la sola configurazione con angolo di picco più acuto. I risultati mostrano che geometria del canale e regime di moto influenzano notevolmente le prestazioni. Inoltre risulta come il metodo di Taguchi mostri forti limitazioni come strumento di progettazione parametrica in ambito numerico a causa della notevole dipendenza del metodo stesso dagli input locali (numero di Reynolds e coefficiente di scambio termico locale) che i modelli considerati non riescono a riprodurre con accuratezza. Tuttavia, dato il buon grado di accordo tra misure sperimentali e risultati numerici per quanto riguarda gli indici di performance globali, è comunque possibile individuare delle geometrie ottimizzate per entrambe i regimi di moto limitando l’analisi solo alle configurazioni con angolo di picco meno acuto.