Numerical Study of Friction Factor and Heat Transfer Characteristics for Single-Phase Turbulent Flow in Tubes with Helical Micro-Fins

The paper presents a numerical study on the heat transfer and pressure drop, related to flow in pipes with helical micro-fins. For all tested geometries, one applied a constant wall heat flux and fully developed 3D turbulent flow conditions. The influence of the angle of micro fins (referred to the tube axis) on thermal-flow characteristics were tested. The value of this angle was varied – with a step of 10 degrees – from 0 to 90 degrees (representing grooves parallel and perpendicular to the axis, respectively). Before numerical investigation, the pipe with helical angle of 30 degree was tested on an experimental stand. The results obtained from experiment and numerical simulations were compared and presented on the charts. As an effect of the numerical simulations, the friction factor f and Nusselt number characteristics was determined for the range of Re=10⁴/1.6x10⁶. The analysis of the results showed high, irregular influence of the helical angle on thermal characteristics and pressure drops. Additionally, the ratios: f/f_plain, Nu/Nu_plain and efficiency indexes (Nu/Nu_plain)/( f/f_plain) as a function of the Reynolds number for every helical angle were shown on the charts.

W tym artykule przedstawiono badania wymiany ciepła i spadku ciśnienia rur z mikroożebrowaniem śrubowym z wykorzystaniem symulacji numerycznych. Dla wszystkich badanych geometrii założono stały strumień ciepła na ściance oraz w pełni rozwinięty, turbulentny przepływ 3D. Badano wpływ kąta mikro-ożebrowania ścianki (odniesionego do osi rury) na charakterystyki cieplno-przepływowe takiego kanału. Wartość wspomnianego kąta zmieniano – co 10 stopni – w zakresie od 0 do 90 stopni (odpowiada on rowkom: równoległym i prostopadłym do osi rury). Przed wykonaniem symulacji numerycznych, zbadano doświadczalnie rurę z 30-stopniowym kątem mikro-ożebrowania i porównano tak otrzymane rezultaty. Z symulacji numerycznych uzyskano charakterystyki współczynnika tarcia i liczby Nusselta w zakresie liczb Reynoldsa 10⁴ /1.6 x10⁶. Ponadto, na wykresach zostały pokazane współczynniki ( f/f_plain) oraz (Nu/Nu_plain) a także wskaźnik efektywności (Nu/Nu_plain)/( f/f_plain) w funkcji liczby Reynoldsa dla każdego kąta mikro-ożebrowania. Analiza wyników wykazuje duży i nierównomierny wpływ kąta mikro-ożebrowania zarówno na spadki ciśnienia jak i na charakterystyki cieplne.