Abstract
Through the present study, computational fluid dynamic (CFD) predictive accuracy is benchmarked by comparing numerical flow field predictions with experimental measurements obtained from Particle Image Velocimetry (PIV). Case studies are for flow over an isolated cylinder, and within staggered tube banks (ST = SL = 3, and ST = 3, SL = 1.5) for Reynolds number range from 37 to 18000. A two layer zonal turbulence model is used in the CFD program (Fluent 6.2) to predict PIV measurements. From the convective heat transfer point of view, empirical correlations are adopted with CFD results, and showed a good agreement. For flow over an isolated cylinder, reasonable agreement is found between PIV measurements, and numerical prediction for different flow regimes through the investigated Reynolds number range. In tube bank analysis, the PIV measurements for staggered tube bank are validated with the CFD prediction for Re equals 700. A comparison is made between CFD predictions, and empirical correlations (of Martin, and Gaddis) for tube bank convective heat transfer and pressure drop at Re range 1500 to 18000; a reasonable agreement is observed. The results of the present study provides sufficient confidence in using empirical correlations to undertake initial sizing of tube bank heat exchanger design, with thermofluid performance subsequently predicted by CFD analysis for specific requirements applications.
Keywords: PIV measurements; CFD prediction; Isolated cylinder; Tube bank; Staggered arrangement; Heat exchanger design.
الملخص العربى
خلال هذا البحث تم اختبار دقة استخدام برنامج ديناميكا الموائع الحسابية ((CFD فى تقييم اداء المبادلات الحرارية فى التطبيقات الهندسية عن طريق مقارنة نتائج سريان المائع مع نتائج القياسات المعملية بواسطة جهاز قياس السرعة من صورة انسياب الجزيئات (PIV) لنفس الحالات. وهذه المقارنات تمت على عدة حالات تختلف فى الشكل الهندسى وسرعات المائع. فقد تم دراسة سريان المائع حول اسطوانة منفردة وحول حالتين من حالات ترتيب المواسير داخل حزمة المواسير وهما (ترتيب خلافى فى الحاله الآولى كانت ST = SL = 3 وكانت الثانية (ST = 3, SL = 1.5مع تغيير سرعات المائع وبالتالى تغيير عدد رينولدز فى مدى من 37 الى 18000. وقد تم التحليل العددى باستخدام برنامج Fluent Version 6.2 . ومن وجهة النظرالخاصة بانتقال الحرارة بالحمل فقد تم مقارنة نتائج التحليل العددى الخاصة بانتقال الحرارة بنتائج العلاقات المعملية السابقة لنفس الحالات حيث وجد بينهما اتفاق جيد. كذلك اوضحت النتائج وجود اتفاق معقول بين نتائج القياسات المعملية باستخدام PIV والتنبؤ العددى لسريان المائع حول اسطوانة منفرده خلال الأطوار المختلفة المصنفة حسب عدد رينولدز المختبر. وفى حالة حزمة المواسير فقد تم التنبؤ بدقة سريان المائع فى حالة عدد رينولدز يساوى 700 . وعندما تمت مقارنة مقدار انتقال الحرارة بالحمل وانخفاض الضغط الناتجة من التنبؤ العددى بنتائج العلاقات المعملية لبعض الباحثين السابقين خلال مدى لعدد رينولدز من 1500 الى 18000، وجد اتفاق معقول بينهما. هذا وتتيح نتائج البحث ثقة كافية لاستخدام العلاقات الناتجة عن تجارب معملية سابقة لايجاد تصميم مبدئى للمبادل الحرارى ذو حزمة المواسير ثم دراسة انتقال الحرارة والسريان باستخدام CFD لايجاد التصميم حسب التطبيق المطلوب.
|
