Experimental Investigation of High Prandtl Number Flow in Additive Manufactured Channels

Autor: YANG, LINDA
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2023
Předmět:
Druh dokumentu: Text
Popis: Additive manufacturing (AM) rapidly evolves and expands into new industries dueto its great design freedom and time savings. Injection molding is an excellentindustry where AM can help reduce cooling time by printing complex coolingchannels for more effective and uniform cooling. This not only simplifies the extensive machining of complex cooling channels but also increases profitability, which is heavily influenced by cooling time. Regardless of the advantages, AM components have a natural and random surface roughness that varies depending on the material and technology. Although increasing surface roughness improves thermal performance, it also increases unwanted pressure loss. This thesis aims to assemble and validate a test rig for the commonly used cooling media – water. Followed by experimental testing with both smooth and AM rough mini-channels to compare the difference in results for pressure loss and convective heat transfer coefficient. Data collected were evaluated using the Darcy friction factor for pressure loss and the Nusselt number for the convective heat transfer coefficient quantification, respectively. In the heat transfer experiment, a one-dimensional constant heat flux boundary condition was applied with the streamwise linear discretization method. Results show a good agreement of smooth and rough channel results for the Darcy friction factor to the prediction done by theoretical correlations and compared to results from the air. Nusselt number results of the smooth channel were in line with theoretical correlations; however, as the water Prandtl number increases, the correlations seem to underpredict the heat transfer performance in high Reynolds numbers. Furthermore, the heat transfer enhancement of the AM rough channel increased overall by 2.5 times compared to the smooth channel in laminar to early turbulent flow regimes. These results established a ground for continuous experimental testing but also revealed unknowns regarding the effect of high Prandtl number on heat transfer in turbulent flow regimes.
Additiv tillverkning (AM, sv:Friformsframställning) utvecklas snabbt och expanderar till nya industrier på grund av dess stora designfrihet och tidsbesparingar. Formsprutning är en utmärkt industri där AM kan hjälpa till att minska kyltiden genom att skriva ut komplexa kylkanaler för mer effektiv och enhetlig kylning. Detta förenklar inte bara den omfattande bearbetningen av komplexa kylkanaler utan ökar också lönsamheten, som i hög grad påverkas av kyltiden. Oavsett fördelar har AM-komponenter en naturlig och slumpmässig ytjämnhet som varierar beroende på material och teknik. Även om ökad ytjämnhet förbättrar den termiska prestandan, ökar den också oönskad tryckförlust. Detta examensarbete syftar till att montera och validera en testrigg för det vanliga kylmediet – vatten. Följt av experimentell testning med både släta och AM grova minikanaler för att jämföra skillnaden i resultat för tryckförlust och konvektiv värmeöverföringskoefficient. Data som samlats in utvärderades med Darcy-friktionsfaktorn för tryckförlust respektive Nusselt-talet för kvantifiering av konvektiv värmeöverföringskoefficient. I värmeöverföringsexperimentet tillämpades ett endimensionellt konstant värmeflödesgränsvillkor med den strömvisa linjära diskretiseringsmetoden. Resultaten visar en god överensstämmelse mellan jämna och grova kanalresultat för Darcy-friktionsfaktorn till uppskattningar från teoretiska korrelationer samt jämförbar med resultat från luften. Nusselt tals resultat för den jämna kanalen var i linje med teoretiska korrelationer; men när vattnet Prandtl-talet ökar, verkar korrelationerna underförutse värmeöverföringsprestanda i höga Reynolds-tal. Dessutom ökade värmeöverföringsförbättringen av AM-grovkanalen totalt med 2,5 gånger jämfört med den jämna kanalen i laminära till tidiga turbulenta flödesregimer. Dessa resultat etablerade en grund för kontinuerliga experimentella tester men avslöjade också okända angående effekten av högt Prandtl-tal på värmeöverföring i turbulenta flödesregimer.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
Externí odkaz: