Experimental investigation of turbulent flow and heat transfer around a single rod for different rod-wall spacings

Abstract

Escoamentos turbulentos através de feixes de tubos ou canais compostos são caracterizados pela presença de estruturas de grande escala que transportam energia e momento, podendo afetar significamente o processo de mistura e a transferência de calor nos subcanais. Esse tipo de estrutura turbulenta pode ser identificada por instabilidades na flutuação de certas variáveis do escoamento e por picos de energia com uma frequencia característica na análise espectral. Escoamentos turbulentos em feixes de tubos ou canais compostos são vistos principalmente em reatores nucleares e trocadores de calor e, ainda, em canais abertos com margens laterais. Nesse sentido, o entendimento apropriado dos movimentos de grande escala nos canais mencionados é importante para corretamente predizer a transferência de calor e possíveis consequencias estruturais geradas por vibrações induzidas pelo escoamento. O presente trabalho almeja avaliar experimentalmente a influência da razão W/D na dinâmica do escoamento e na transferência de calor por convecção em um canal composto rectangular que contém um tubo cilindrico com os lados fechados. W é soma entre o diâmetro do tubo e a largura da fenda, D é o diâmetro do tubo. O tubo é aquecido localmente por uma célula alimentada por uma resistência cartucho. Uma sonda simples de anemometria de fio quente foi empregada para adquirir a valocidade media, flutuação de velocidade e espectro. Os coeficientes de transferência de calor foram determinados a partir de temperaturas medidas por termopares na superfície da célula aquecida. O coeficiente de atrito local foi medido em volta do tubo por um tubo de Preston e a partir desse resultado foi possível avaliar a analogia de Reynolds-Colburn. Os experimentos foram realizados para um número de Reynolds, ReDh, em torno de 40000 e para as larguras adimensionais de fenda W/D = 1.050, 1.100, 1.150 and 1.200. Os contornos de velocidade média apresentaram formas similares às observadas na literatura. Os menores valores foram encontrados próximos à região da fenda e os maiores estão na parte central do subcanal. Para W/D = 1.050, 1.100 and 1.200 a máxima velocidade media foi de Ū/Ub = 1.30. No caso de W/D = 1.150, o valor máximo de velocidade axial foi Ū/Ub = 1.20, um pouco menor em comparação as outras fendas. O u-RMS apresentou seus maiores valores na região da fenda e os menores na região mais larga do canal. As funções de densidade espectral e autocorrelação avalidas na região da fenda indicam que a dinâmica do escoamento nas menores fendas (W/D = 1.050 and 1.100) está sob forte influência de estruturas coerentes de grande escala, conforme observado através dos picos no espectro e das oscilações na função de autocorrelação até a posição z/D = 0.30. Para o tubo fechado, o número de Strouhal obtido foi maior do que os valores encontrados na literatura. Contudo, quando um novo experimento foi realizado usando um tubo vazado, a frequência e o número de Strouhal obtidos se mostraram de acordo com o encontrado na literatura. As distribuições de temperatura e de numero de Nusselt foram similares ao apresentado por autores anteriores. O menor valor de número de Nusselt foi encontrado na região da fenda. Ao passo que W/D aumenta, o local de menor número de Nusselt fica mais próximo da fenda estreita. O local em que a convecção é minima parace ser influenciado pelas estruturas coerentes. A transferência de calor também foi avaliada por meio da determinação do J-factor, o qual se mostrou de acordo com os resultados experimentais encontrados na literatura. Foi observado que os valores do coeficiente de atrito mudam substancialmente conforme a razão W/D aumenta e apresentam quase a mesma distribuição do número de Nusselt. A analogia de Reynolds-Colburn mostrou um comportamente linear, independente da razão W/D. A analogia pode ser usada como uma forma alternativa para determiner o coeficiente de transferência de calor.