Córdoba Estrada, Paola A. (2016) Estudio numérico y experimental para la optimización termo-fluido-dinámica de trasformadores de distribución tipo ONAN. / Numerical and experimental study for thermo-fluid-dynamic optimization of ONAN type distribution transformers. Tesis Doctoral en Ciencias de la Ingeniería, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
El trabajo de tesis doctoral presentado a continuación se inscribe dentro del campo de la mecánica de fuidos y transferencia de calor, específicamente en el tema de refrigeración por convección natural, abordando el problema desde el punto de vista numérico con una componente experimental para validar los resultados. Este estudio está motivado en la utilización del mecanismo de convección natural para la refrigeración de dispositivos termohidráulicos. En particular, un dispositivo que emplea este mecanismo de refrigeración es el transformador de distribución tipo ONAN. El objetivo de la investigación es estudiar el fujo y la transferencia de calor en este tipo de dispositivos y desarrollar una herramienta que permita reproducir su funcionamiento y estudiar los aspectos que más influyen desde el punto de vista de una óptima refrigeración. El trabajo consta de tres partes: Una primera parte consistió en analizar un problema con geometría simple, que permite su análisis tanto numérico como experimental, con el objetivo principal de estudiar cómo afectan, tanto las propiedades físicas del fuido como diferentes factores y parámetros externos, a la fuido-dinámica del problema de refrigeración por convección natural. Este estudio permitió no solo validar el código, sino también desarrollar y ajustar una herramienta experimental que fue empleada en etapas posteriores para geometrías y condiciones más complejas. En la segunda parte, se presenta un modelo simplificado que se resuelve numéricamente con códigos de elementos finitos desarrollados en el Departamento de Mecánica Computacional del Centro Atómico Bariloche. En dicho modelo se trata de tener en cuenta la fenomenología completa del problema, desde el carácter tridimensional del fujo, las fuentes de calor presentes, las condiciones de contorno y características principales del dispositivo. Los resultados numéricos obtenidos del modelo tridimensional simplificado muestran una clara deficiencia en el proceso de refrigeración del transformador. Para que los resultados numéricos sean concluyentes, en la tercera parte de este trabajo, se desarrolló un dispositivo experimental con la geometría de interés y de este modo poder comparar campos de velocidades y temperaturas, completando así, el modelado del proceso de refrigeración en un transformador tipo ONAN. Los detalles del modelo numérico tridimensional, así como las técnicas numéricas y experimentales empleadas y desarrolladas, junto con los resultados numéricos y experimentales obtenidos se organizan en 5 capítulos, finalmente en el capítulo 6 se resumen las conclusiones más importantes de toda la tesis. Luego de una introducción general (Capítulo 1) donde se incluye la motivación y los objetivos de este trabajo, se presentan y describen las técnicas numéricas y experimentales relacionadas con la convección natural. En particular, se describen las formulaciones del método de elementos finitos de las ecuaciones gobernantes del flujo convectivo de interés, condiciones de borde y modelos de turbulencia en flujos boyantes. Adicionalmente, se hace mención y se describe la técnica experimental de medición de campos de velocidades utilizada en la tesis (capítulo.2). Los tres capítulos siguientes están dedicados a los estudios numéricos y experimentales realizados en distintas geometrías, cuyos resultados más importantes se enumeran a continuación. En el capítulo 3 se describe en detalle el primer caso de estudio. En este capítulo se lleva a cabo un estudio numérico y experimental del flujo laminar por convección natural en una cavidad cúbica. El fluido es un aceite dieléctrico usado para la refrigeración de transformadores tipo ONAN. Este aceite presenta una fuerte dependencia de la viscosidad con la temperatura. Con este trabajo se estudia la influencia de dicha dependencia en el patrón de flujo y en el calor total transferido. De esta manera se observó que el patrón de flujo numérico y experimental presenta un comportamiento no oscilatorio, reflejando un flujo convectivo estable. Además se encontró que el tamaño de las capas límite de velocidad y temperatura, así como también el orden de magnitud de los valores de velocidad y temperatura obtenidas con las simulaciones concuerdan con el experimento. Finalmente se encontró que la dependencia de la viscosidad con la temperatura causa una ligera asimetría en el campo de velocidades en estado estacionario, la cual se vuelve despreciable a medida que el número de Rayleigh aumenta. El capítulo 4 describe el modelado numérico 3D de un transformador de distribución tipo ONAN. Mediante consideraciones adecuadas, el problema 3D del flujo por convección natural de un transformador de este tipo, puede estudiarse mediante un modelo numérico de una sección 3D simplificada del mismo. Este modelo matemático predice el comportamiento estratificado del campo de temperaturas. Esto se puede comprobar con las imágenes termográficas de un prototipo del transformador tomadas durante un ensayo de calentamiento [3]. Adicionalmente, el campo de velocidades es consistente con los campos obtenidos por otros autores [2] en un transformador con una geometría similar al estudiado en el presente trabajo. Los resultados de los campos de velocidades muestran un patrón de flujo que se concentra principalmente el el cuarto superior de la sección representativa que conforma el modelo. Las temperaturas muestran un gradiente importante en el tercio superior. Esto sugiere que la aleta está transferiendo calor por conducción al canal de aire en su parte inferior más que por convección interna del aceite. Se puede concluir de estos resultados que hay un mal aprovechamiento de la capacidad refrigerante de la superficie exterior de la aleta. El capítulo 5 se presenta la validación experimental del modelado numérico en una geometría similar a la sección representativa (SR) descrita en el capítulo 4. En este capítulo se describen brevemente los lineamientos seguidos para el diseño y construcción del mismo, así como la metodología experimental. Adicionalmente, se presentan las mediciones realizadas y se realizaron comparaciones cuantitativas de los datos medidos con las simulaciones numéricas. Los resultados obtenidos en este capítulo muestran que las simulaciones numéricas logran reproducir razonablemente las características básicas de los campos de temperatura y velocidades del dispositivo experimental, observándose que las velocidades que se obtienen en la simulación son del mismo orden de magnitud que las observadas experimentalmente. Así mismo, las temperaturas medidas en los puntos de referencia presentan un acuerdo razonable, con algunas diferencias dadas por condiciones experimentales que no son reproducidas en el modelo numérico. Los resultados obtenidos en este capítulo constituyen una referencia para validación de códigos numéricos y el dispositivo experimental una herramienta para estudio termo-fuido-dinámico de convección natural en canales, aletas y cavidades. En el apéndice A se describe un modelado de homogenización bidimensional a partir del modelo numérico 3D, el cual se encuentra actualmente en fase de prueba. Este modelo se pensó con el objetivo de realizar modificaciones de geometría y parámetros materiales que permitan hacer pruebas numéricas rápidas para la optimización de transformadores tipo ONAN, desde el punto de vista de su refrigeración, reduciendo los altos costos computacionales y los largos tiempos de cálculo. Finalmente, en el apéndice B, se muestran aspectos generales del proceso de adquisición de datos y procesamiento de imágenes que no fueron incluidos en los capítulos.
Resumen en inglés
The following doctoral work is in the context of fluid mechanics and heat transfer, specifically on natural convection cooling. The problem is approached from the numerical point of view with an experimental component to validate the results. This study is motivated on the use of natural convection mechanism for cooling thermal-hydraulic devices. In particular, a device employing this cooling process is the ONAN type distribution transformer. The objective of the investigation is to study the flow pattern and heat transferred in these kind of devices and develop a tool to reproduce its fluid and thermal dynamic and study the most influential aspects to improve the cooling process. The work has three parts: The first part involves analyzing a problem with a simple geometry, which allows both numerical and experimental study. The main objective is to study how the physical properties and the different external factors and parameters affect the fluid-dynamics of the natural convection problem. This study allowed not only validate the code, but also develop and adjust an experimental tool that was used in subsequent steps for the study of more complex geometries and conditions. In the second part, a simplifled model is solved numerically with finite element codes developed at the Department of Computational Mechanics. This model seeks to reproduce the full phenomenology of the problem, considering the three-dimensional nature of the flow, heat sources, boundary conditions and the main characteristics of the device. The numerical results of the simplifled three-dimensional model show a clear deficiency in the transformer cooling process. To validate these numerical results, an experimental device was developed according to the geometry of interest. The numerical and experimental velocity and temperature fields were compared. Thus, a complete modeling of the cooling process in an ONAN type distribution transformer was performed. The characteristics of the three-dimensional numerical model, as well as the numerical and experimental techniques, used and developed, in addition to the numerical and experimental results, are organized into 5 chapters. Chapter 6 summarizes the main conclusions of whole thesis. After a general introduction (Chapter 1) where the motivation and objectives of this work are included, the numerical and experimental techniques related to natural convection are presented and described in Chapter 2. In particular, the finite element formulations of the governing equations, boundary conditions and turbulence models in buoyant flows are described in this chapter. A section dedicated to describe the experimental technique to measuring velocity fields was included in this chapter. The next three chapters are devoted to numerical and experimental studies in different geometries, the most important results are listed below. Chapter 3 describes in detail the first case study. In this chapter a numerical and experimental study of the laminar natural convection in a cubical cavity was realized. The working fluid is a naphthenic dielectric oil used for cooling ONAN type transformers. This oil has a strong viscosity dependence with temperature. With this work the influence of this dependence on the flow pattern and total heat transferred is studied. Thus it was observed that the pattern of numerical and experimental flow has a non oscillatory behavior, reflecting a steady convective flow. Furthermore it was found that the size of the boundary layer velocity and temperature, as well as the order of magnitude of the velocity and temperature values obtained in the simulations are consistent with experimental results. Finally it was found that the dependence of viscosity with temperature causes a slight asymmetry in the velocity field in steady state, which becomes negligible as the Rayleigh number increases. Chapter 4 describes the 3D numerical modeling of an ONAN type distribution transformer. Through appropriate considerations, the 3D natural convection problem of the flow in this kind of transformer, can be studied by a 3D simplifled numerical model. This model considers a transformer representative section instead the whole geometry. The mathematical model based on the conservation equations of continuity, momentum and energy, coupled with a buoyant term, are solved numerically using the finite element method described in Chapter 2. This mathematical model predicts the stratifled behavior of the temperature field. This temperature fleld were compared with thermal images of a transformer prototype during a heating test [3]. Additionally, the flow pattern obtained from simulations are consistent with the velocity fields obtained by other authors [2]. The numerical results show a flow pattern that is concentrated mainly in the upper heating region of the representative section. The temperature distribution obtained from simulations, show a substantial gradient in the section upper region. This results suggest that the heat transfer mechanism in the lower zone is essentially by conduction in the metal surface instead internal convection of the oil. It can be concluded from these results that there is a poor utilization of the cooling capacity of the outer surface of the fin. Chapter 5 discusses the experimental validation of the numerical modeling based on the representative section (SR) described in Chapter 4. An experimental device is developed for that purpose. This chapter briefly describes the guidelines followed for its design and construction, as well as the experimental methodology using in measurements. Additionally, quantitative comparisons between measured data and numerical simulations were conducted and presented. In summary, the experimental validation seeks to improve the numerical model determining the most influential aspects of the cooling process. On the other hand, measurements with the experimental device serving as an indicator of how well reproduces the physical phenomenon of interest. It was found that numerical simulations reproduce reasonably the basic flow features as the temperature and velocity fields observed in the experiment. The velocity values obtained in simulations has the same order of magnitude as observed experimentally. It was observed that the numerical results are sensitive to the value of ambient temperature taken as reference. The experimental results presented in this chapter constitute a benchmark for validation of numerical codes and the experimental device a tool for thermo-fluid-dynamic study of natural convection in channels, cavities and fins. In the Appendix A, a 2-dimensional homogenization modeling of the 3D numerical model is described. This modeling is currently in tensting stage. This 2d model of the natural convection problem constitute a numerical tool in order to realize geometry and material parameters modifications to enhance the heat transfer in the cooling process reducing the high computational costs and long calculation times.
| Tipo de objeto: | Tesis (Tesis Doctoral en Ciencias de la Ingeniería) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Natural convection; Convección natural; Finite element method; Método de elementos finitos; Computational fluid dynamics; [Particle image velocimetry; Velocimetría por imágenes de partículas; Computational fluid dynamic; Fluido dinámica computacional; ONAN type transfomers; Transformadores tipo ONAN] |
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| Materias: | Ingeniería > Fluidodinámica computacional |
| Divisiones: | Aplicaciones de la energía nuclear > Tecnología de materiales y dispositivos > Mecánica computacional |
| Código ID: | 854 |
| Depositado Por: | Tamara Cárcamo |
| Depositado En: | 22 Feb 2021 08:27 |
| Última Modificación: | 22 Feb 2021 08:27 |
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