Προσομοίωση τυρβωδών ροών φυσικής και μικτής συναγωγής σε ηλιακά και ενεργειακά συστήματα

Abstract

The subject of the thesis is the Simulation of Turbulent Flow and Heat Transfer inSolar and Energy Systems. Emphasis is given in the thermal storage component of thesesystems, with the aim of characterizing their energy losses and improve their design. Mainactivities of the thesis will be the further development of available computational toolsfor the simulation of flows in natural and mixed convection, incorporating some of themost recent developments in modeling, particularly in the Large Eddy Simulation (LES)method. Initially, an extensive validation with experimental results in simple geometricconfigurations is carried out (e.g. channels or differentially heated cavities). Subsequently,the methodology is applied in the calculation of flows for more realistic geometries selectedfrom practical applications, such as various hot water storage tanks. Analysis is conductedof the dynamic processes and relevant physical phenomena during the heat supply (charging)to and removal (discharging) from the tank and their influence on the storage effectivenessusing appropriate thermodynamic indices. From the simulation results, the significance ofthe flow and heat transfer modeling in these systems as a practical tool for studying theirperformance is demonstrated, by characterizing their energy content and significantlycontributing to the process of optimizing their design.

Αντικείμενο της διατριβής είναι η προσομοίωση της ροής και της μεταφοράς θερμό-τητας σε ηλιακά και ενεργειακά συστήματα. Η έμφαση δόθηκε στις δεξαμενές αποθή-κευσης της θερμότητας που παράγεται στα συγκεκριμένα συστήματα, με στόχο τον χα-ρακτηρισμό των ενεργειακών απωλειών και την βελτιστοποίηση του σχεδιασμού τους.Κύριες δραστηριότητες της διατριβής θα είναι η περαιτέρω ανάπτυξη διαθέσιμων εργα-λείων προσομοίωσης ροών φυσικής και μικτής συναγωγής, με διερεύνηση των νεώτερωνεξελίξεων στην μοντελοποίηση με τη μέθοδο Προσομοίωσης Μεγάλων Δινών (LES).Αρχικά γίνεται εκτεταμένη επικύρωση με πειραματικά αποτελέσματα σε απλές γεωμε-τρικές διατάξεις (π.χ. ορθογωνικά κανάλια ή κοιλώματα με βαθμίδα θερμοκρασίας) απότην βιβλιογραφία. Στη συνέχεια η μεθοδολογία εφαρμόζεται στον υπολογισμό ροών σεπιο ρεαλιστικές γεωμετρίες, επιλεγμένες από πρακτικές εφαρμογές, όπως οι δεξαμενέςαποθήκευσης νερού. Αναλύονται σε βάθος οι δυναμικές διεργασίες και τα ροϊκά φαινό-μενα τόσο κατά την προσαγωγή της θερμότητας στη δεξαμενή (φόρτιση) όσο και κατάτην απαγωγή της (εκφόρτιση) και η επίδραση που έχουν αυτά στην αποδοτικότητα τηςαποθήκευσης με βάση κατάλληλους ποσοτικούς δείκτες. Από τα αποτελέσματα αναδει-κνύεται η σημασία της μοντελοποίησης σε τέτοιου είδους συστήματα ως ένα σημαντικόεργαλείο στη διερεύνηση της απόδοσης τους, του ενεργειακού χαρακτηρισμού τους καιακολούθως στην προσπάθεια επίτευξης του βέλτιστου σχεδιασμού τους.