Large-eddy simulation of turbulent heat transfer and particle deposition in helically ribbed pipes

Akermann, Kevin; Schröder, Wolfgang; Kneer, Reinhold

doi:42450

Large-eddy simulation of turbulent heat transfer and particle deposition in helically ribbed pipes = Large-Eddy Simulation des turbulenten Wärmetransports und der Partikelablagerung in spiralförmig strukturierten Rohren

Akermann, Kevin^RWTH*

2023

VerantwortlichkeitsangabeKevin Akermann

ImpressumDüren : Shaker Verlag 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schröder, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH* ; Kneer, Reinhold (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-05-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-08098
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/964016/files/964016.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Strömungslehre und Aerodynamisches Institut (415110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Euler-Lagrange (frei) ; Grobstruktursimulation (frei) ; Large-Eddy Simulation (frei) ; Mehrphasenströmung (frei) ; Partikeltransport (frei) ; Wärmeübertragung (frei) ; heat transfer (frei) ; particle transport (frei) ; turbulent flow (frei) ; turbulente Strömung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Raue Oberflächen auf der inneren Rohrwand beeinflussen nicht nur die Wärmeübertragung und den anfallenden Druckverlust, sondern auch die Anfälligkeit des Rohres für Feststoffablagerungen. Obwohl Partikelanhäufungen auf der wärmeübertragenden Fläche ein großes Problem während des Betriebs von Wärmeüberträgern darstellen, werden neue, weiter verbesserte Rohre hauptsachlich mit Bezug auf die Wärmeübertragung und des Druckverlusts entwickelt und nicht hinsichtlich der Partikelablagerungen. Um erfolgreiche Gegenmaßnahmen gegen Ablagerungen ergreifen zu können ist es notwendig mehr Informationen über Partikelablagerungen in strukturierten Rohren zu sammeln. Ergebnisse von detaillierten numerischen Mehrphasensimulationen können hierfür eingesetzt werden, wodurch sich der Entwicklungsprozess mit Hinblick auf Partikelablagerungen unterstutzen lasst. In der vorliegenden Arbeit werden deshalb Rohre mit unterschiedlich geformten Oberflachen numerisch, in Bezug auf sowohl Wärmeübertragung und Druckverlust als auch auf die Anfälligkeit auf Partikelablagerungen, untersucht. Large-Eddy Simulationen der Strömung innerhalb der strukturierten Rohre wurden durchgeführt und die Ergebnisse der Strömungen, der übertragenden Warme und der Partikelablagerungen sind im Detail untersucht. Es wird gezeigt, dass die geometrische Struktur der Wand einen signifikanten Einfluss auf die Physik der Strömung und des Partikeltransports hat. Die Ergebnisse zeigen zudem, dass die Wahl bestimmter geometrischer Parameter dazu beitragen kann die Verschmutzung durch Partikelablagerungen zu verringern.

Structured surfaces on the inner pipe wall affect not only the heat transfer and pressure loss, but also the susceptibility of the pipe to solid deposit. Although accumulations of solids on heat transfer surfaces are a major concern during the operation of heat exchangers, new, further enhanced roughened pipes are mostly developed with regard to heat transfer and pressure loss, neglecting particle deposition. In order to provide successful countermeasures against fouling, it is necessary to obtain more information on particle deposition on structured pipe walls. Results of detailed numerical multiphase simulations can be used to support the development process of internally structured pipes in terms of solid deposit. Therefore, several differently shaped helically rib-roughened pipes are numerically investigated in the present work with regard to heat transfer, to pressure loss, and to their susceptibility to solid deposit. Large-eddy simulations of the flow through structured pipes have been performed and the results of the fluid statistics, heat transfers, and particle statistics are presented in detail. It is shown that the geometrical structure of the wall significantly affects the physics of the fluid flow and the solid particle transport. The results further show that the choice of certain geometrical parameters can help to mitigate particulate fouling.

OpenAccess:
PDF
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