The influence of rotation on turbulent flow and heat transfer in an annulus between independently rotating tubes

Abstract

Experimental and numerical investigations of turbulent flow and heat transfer have been performed in a concentric annulus between independently rotating tubes. Numerical predictions, applying a Reynolds stress turbulence model, are compared with experimental fluid flow and heat transfer results for the case of a heated outer tube and an adiabatic inner tube. Compared to the above mentioned boundary conditions for the conservation equation of energy, differences in heat transfer in case of a heated inner tube and an adiabatic outer one, are examined by analysis, applying a mixing length turbulence model. Numerical investigations with both kinds of models about the influence of annulus radius ratio make evident that due to different superimpositions of centrifugal force and additional shear stress there is a wide variation of effects on fluid flow and heat transfer caused by the rotation of the inner and the outer tube.

Zusammenfassung

Die turbulente Strömung und der Wärmetransport in einem konzentrischen Ringspalt zwischen zwei unabhängig voneinander rotierenden Wellen sind experimentell und numerisch untersucht worden. Numerische Berechnungen, bei denen ein Reynolds-Spannungs Turbulenzmodell verwendet wurde, werden mit experimentellen Strömungs- und Wärmetransportergebnissen für den Fall einer geheizten Aussenwelle und einer adiabaten Innenwelle verglichen. Unterschiede im Wärmetransport, im Vergleich zu den zuvor genannten Randbedingungen für die Energieerhaltungsgleichung, bei geheizter Innenwelle und adiabater Außenwelle, sind mit einem analytischen Modell bestimmt worden, das auf einem Mischungswegmodell für den turbulenten Transport basiert. Numerische Untersuchungen mit beiden Modellen über den Einfluß des Radienverhältnisses des Ringspaltes machen deutlich, daß durch die unterschiedliche Überlagerung der Zentrifugalkraft und der zusätzlichen Scherkraft eine große Vielfalt an Effekten auf die Strömung und den Wärmetransport existiert, verursacht durch die Rotation der Innen- und der Außenwelle.