Scambio termico in convezione libera da schiere di cilindri orizzontali - Analisi dei campi termofluidodinamici

Steady laminar free convection in air from parallel horizontal cylinders aligned either vertically, horizontally or diagonally is studied numerically. A specifically developed computer code based on the SIMPLE-C algorithm is used for the solution of the dimensionless mass, momentum, and energy transfer governing equations. Results are presented for different values of the center-to-center cylinder spacing, the tilting angle of the cylinder array from 0 deg to 90 deg, and the Rayleigh number based on the cylinder diameter in the range between 103 and 107. It is found that the heat transfer rates at each cylinder surfaces may in principle be traced back to the combined contributions of the so-called plume effect and chimney effect, which are the mutual interactions occurring in the vertical and horizontal alignments, respectively. In addition, at any misalignment angle, an optimum spacing between the cylinders for the maximum heat transfer rate, which decreases with increasing the Rayleigh number, does exist. Moreover, it is found that, even for vertically aligned cylinders, for spacings smaller than a first critical distance, the heat transfer performance of the bottom cylinder degrades owing to the presence of the top cylinder, whichever is the temperature condition imposed at the top cylinder surface, and the thermal state of the upper cylinder surface starts being effective on the thermal behavior of the bottom cylinder once the cylinder-spacing is further reduced below a second critical distance. Heat transfer dimensionless correlating equations are proposed for any individual cylinder and for the array cylinders as a whole for different arrangements of the array.

La tesi presenta gli studi numerici dei campi di termofluidodinamici prodotti da schiere di cilindri orizzontali disposti in schiere verticali, orizzontali o inclinate. Uno specifico codice di calcolo basato sull'algoritmo SIMPLE-C è utilizzato per la risoluzione delle equazioni di conservazione della massa, della quantità di moto e dell'energia in forma adimensionale. I risultato sono presentati per diversi valori dell'interasse tra i cilindri, dell'angolo di inclinazione della schiera tra 0° e 90° e del numero di Rayleigh basato sul diametro del singolo cilindro nell'intervallo tra 103 e 107. È stato rilevato che lo scambio termico da tutti i cilindri può essere ricondotto all'effetto combinato del cosiddetto "effetto pennacchio" ed "effetto camino", che sono le mutue interazioni che si manifestano rispettivamente per schiere verticali ed orizzontali. Inoltre, ad ogni angolo di inclinazione, esiste una distanza ottimale che determina un massimo dello scambio termico, distanza che decresce all'aumentare del numero di Rayleigh. Infine, è stato rilevato che, anche per allineamenti verticali, per distanze inferiori ad un valore critico, lo scambio termico del cilindro inferiore diminuisce per la presenza del cilindro sovrastante, mentre l'effetto dello stato termico del cilindro sovrastante si risente per distanze ulteriormente inferiori. Sono quindi proposte equazioni di correlazione per ciascun cilindro e per la schiera nel suo insieme per differenti configurazioni.