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Main Title: Heat transfer between a rolling sphere and a solid wall
Translated Title: Wärmeübertragung zwischen einer rollenden Kugel und einer Platte
Author(s): Brösigke, Georg Tobias
Advisor(s): Repke, Jens-Uwe
Referee(s): Repke, Jens-Uwe
Groß, Ulrich
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The heat transfer between particles and walls has been topic of research for several decades. In most cases existing correlations were developed empirically for special conditions and applications like fluidised beds or rotary kilns. With a deeper fun- damental understanding of the occurring heat transfer mechanisms both design of existing and development of innovative apparatuses, could be more straightforward. The mentioned existing correlations cannot be applied flawlessly to other conditions, due to specific simplifications and limitations, since most correlations are based on experiments where the overall heat transfer coefficient is measured in an integral way. The aim of this work is to investigate the fundamental heat transfer mechanisms between spherical particles rolling on a plate on microscale with the lowest level of simplifications. For the identification of the dominating heat transfer mechanisms an approach with Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations is chosen. The fundamental investigations are carried out using a basic geometry of a moving sphere on a plate. Due to the lack of an "out of the box" solution framework, which is able to describe the system of a moving sphere on a plate, a new solver is developed in OpenFOAM®. The solver is validated in multiple steps. The capability of solving the fluid dynamics is validated by comparing simulations of the drag of a rigid sphere (both static and rotating) in an uniform unsheared flow against correlations from literature. For the rotating sphere, the lift is compared against correlations from lit- erature as well. Moreover, for testing the solver under turbulent conditions, a Direct Numerical Simulation of a free stream across a flat plate is carried out and validated by comparison against the logarithmic law of the wall. The capability of solving the heat transfer is validated by comparison simulations for a static sphere on a flat plate against an existing model for a static sphere. For a rolling sphere, simulations are validated qualitatively and quantitatively by comparison against own experimental results. After successful validation, systematic studies of both overall and local heat transfer coefficient for the variation of sphere diameter and rolling velocities are carried out for particle Reynolds Numbers ranging from 0.33 to 662.99. For the overall heat transfer coefficient the values range between 309.31 and 824.74 W m -2 K -1 , whereas local values up to 37 388.31 W m -2 K -1 can be observed. Analogically to literature the main transport resistance is identified in the gap between plate and sphere. The heat conduction through the gas layer between sphere and plate is identified as the dominating mechanism.
Die Wärmeübertragung zwischen Partikeln und Wänden ist seit Jahrzehnten Gegenstand der Forschung. In den meisten Fällen wurden bestehende Zusammenhänge empirisch für besondere Bedingungen und Anwendungen wie Wirbelschichten oder Drehrohröfen entwickelt. Mit einem tieferen Grundverständnis der vorliegenden Wärmeübertragungsmechanismen könnten sowohl die Auslegung bestehender Prozesse, als auch die Entwicklung von innovativen Verfahren und Apparaten mit einer höheren Präzision durchgeführt werden, da die bestehenden Korrelationen aufgrund spezieller Vereinfachungen und Annahmen nicht fehlerfrei auf andere Bedingungen angewendet werden können. Dies kann darauf zurück geführt werden, dass der Großteil existierender Korrelationen auf experimenteller Basis auf integrale Weise unter speziellen Bedingungen gewonnen wurde. Ziel dieser Arbeit ist es, die grundlegenden Wärmeübertragungsmechanismen zwischen kugelförmigen Partikeln, die auf einer Platte rollen, mit den geringst möglichen Vereinfachungen zu untersuchen. Dazu wird als Hauptwerkzeug die Numerische Strömungssimulation (CFD) gewählt. Die grundlegenden Untersuchungen werden unter Verwendung einer Grundgeometrie einer sich auf einer Platte bewegenden Kugel durchgeführt. Da es keinen Standardlöser gibt, der das System einer sich bewegenden Kugel auf einer Platte beschreiben kann, wird ein neuer Löser in OpenFOAM® entwickelt. Der Löser wird in mehreren Schritten validiert. Die Lösung der Fluiddynamik wird durch den Vergleich von Simulationen des Widerstandsbeiwertes einer starren Kugel (sowohl statisch als auch rotierend) in einer gleichförmigen ungescherten Strömung mit Korrelationen aus der Literatur bewertet. Für die rotierende Kugel wird auch der Auftriebskoeffizient mit Korrelationen aus der Literatur verglichen. Außerdem wird zum Testen des Lösers unter turbulenten Bedingungen eine direkte numerische Simulation eines freien Stroms über eine flache Platte durchgeführt und durch Vergleich mit dem logarithmischen Wandgesetz validiert. Die Lösung der Wärmeübertragung wird durch Vergleichssimulationen für eine statische Kugel auf einer flachen Platte mit einem vorhandenen Modell aus der Literatur für eine statische Kugel validiert. Simulationen werden für eine rollende Kugel qualitativ und quantitativ durch Vergleich mit eigenen experimentellen Ergebnissen validiert. Nach erfolgreicher Validierung werden systematische Untersuchungen des integralen Wärmedurchgangskoeffizienten und des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten unter Variation des Kugeldurchmessers und der Rollgeschwindigkeiten für Partikel-Reynolds-Zahlen im Bereich von 0,33 bis 662,99 durchgeführt. Für den integralen Wärmedurchgangskoeffizienten wurde dabei ein Wertebereich von 309,31 bis 824,74 W m -2 K -1 beobachtet, wobei lokale Werte des Wärmeübergangskoeffizienten von bis zu 37 388.31 W m -2 K -1 erzielt wurden. Analog zur Literatur wird der Haupttransportwiderstand in der Lücke zwischen Platte und Kugel identifiziert. Die Wärmeleitung durch die Gasschicht zwischen Kugel und Platte stellt sich dabei als dominierender Mechanismus heraus.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10741
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9636
Exam Date: 24-Jan-2020
Issue Date: 2020
Date Available: 25-Feb-2020
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): heat transfer
computational fluid dynamics
direct numerical simulation
sphere
plate
Wärmeübergang
numerische Strömungsmechanik
direkte numerische Simulation
Kugel
Platte
License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
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