Achaichia A, Cowell TA (1988) Heat transfer and pressure drop characteristics of flat tube and louvered plate fin surfaces.pdf

8/10/2019 Achaichia A, Cowell TA (1988) Heat transfer and pressure drop characteristics of flat tube and louvered plate fin su

1/11

H e a t T r a n s f e r a n d P r e s s u r e D r o p

h a r a c t e r i s t i c s o f F l a t T u b e a n d L o u v e r e d

Pla te F in Surfaces

A A c h a i c h i a

Research Fellow

T A

owe l l

Reader

Department of Mechanical and Production

Engineering Brighton Polytechnic

Moulsecoomb Brighton UK

P e r f o r m a n c e d a t a a r e p r e s e n t e d f o r a r a n g e o f f l a t t u b e a n d l o u v e r e d p l a t e

f i n s u r f a ce s . T h e S t a n to n n u m b e r c u r v e s d e m o n s t r a t e c h a r a c t e r i s t i c s t h a t a r e

cons i s ten t wi th the no t ion tha t a t h igh Reyno lds number the f lu id f low i s p re -

d o m i n a n t l y p a r a l l e l t o t h e l o u v e r s b u t t h a t a s R e y n o l d s n u m b e r i s r e d u c e d t h e

f l o w d i r e c t i o n b e c o m e s i n c r e a s i n g l y d e te r m i n e d b y t h e p l a t e f i n s . T h i s e f f e c t

causes a f l a t t en ing o f the S tan ton number cu rves a s the e f fec t ive hea t t r ans fe r

c o n f i g u r a ti o n c h a n g e s f r o m f l a t p l a t e t o d u c t f l o w . T h i s f l a tt e n i n g o f t h e

S t a n to n n u m b e r c u r v e s w i t h r e d u c i n g R e y n o l d s n u m b e r i s c l e a r l y d e m o n -

s t r a te d t o b e a g e n u i n e e f f e c t a n d n o t t o r e s u l t f r o m t h e p r o b l e m s o f e x p e r i -

m e n t a l a c c u r a c y t h a t c a n a r i s e a t v e r y l o w R e y n o l d s n u m b e r .

T h e r e s u l ts o f o t h e r w o r k b y A c h a i c h i a a n d C o w e l l , w h i c h u s e s n u m e r i c a l

m e t h o d s t o d e s c r i b e f l o w t h r o u g h l o u v e r a r r a y s , h a v e b e e n u s e d t o d e v e l o p a

v e r y s i m p l e n o n d i m e n s i o n a l c o r r e l a ti n g e q u a t io n f o r S t a n to n n u m b e r . A n

e q u a t io n f o r f r i c ti o n f a c t o r h as a l s o b e e n d e v e l o p e d , b u t a d i m e n s i o n a l f o r m

was found to be necessa ry fo r i t to re ta in u se fu l accu racy .

Ke ywor ds :

augmentation fi nned surfaces for ced convection heat

exchangers

I N T R O D U C T I O N

C o m p a c t h e a t t r a n s f e r s u r f a c e s c o n s i s t i n g o f f i a t - s i d e d tu b e s

a n d l o u v e r e d p l a t e f in s o f t h e t y p e s h o w n i n F i g . 1 a r e w i d e l y

u s e d i n i n d u s t r i a l a n d a u t o m o t i v e a p p l i c a t i o n s w h e r e a l i q u i d a t

r e l a t i v e ly l o w p r e s s u r e i s t o b e c o o l e d b y a i r . H o w e v e r , v e r y

f e w r e l e v a n t p e r f o r m a n c e d a t a h a v e b e e n p u b l i s h e d i n t h e o p e n

l i t e ra t u r e . K a y s a n d L o n d o n [ 1 ] h a v e g i v e n d a t a f o r a f e w p l a i n

v a r i a n t s , w i t h b o t h i n - l i n e a n d s t a g g e r e d t u b e r o w a r r a n g e -

m e n t s . T h e y g i v e r e s u l t s f o r a f e w c a s e s i n w h i c h t h e f i n i s

r i p p l e d in t h e a i r f l o w d i r e c t i o n . D a v e n p o r t [ 2 ] h a s g i v e n d a t a

f o r a r e l a t e d s u r f a c e - - t h e f l a t t u b e a n d l o u v e r e d c o r r u g a t e d f i n

g e o m e t r y - - b u t i t is o u r e x p e r i e n c e t h a t t h e s e d a t a h a v e l i m i t e d

a p p l i c a b i l i ty t o t h e s u r f a c e s u n d e r s t u d y h e r e . T h e p a u c i t y o f

p u b l i s h e d i n f o r m a t i o n s e e m s t o r e s u l t f r o m t h e c o m m e r c i a l

v a l u e o f a n y p e r f o r m a n c e d a t a , o n t h e o n e h a n d , a n d t h e

d i f f ic u l t y a n d c o s t o f m a n u f a c t u r i n g t h e m a n y s a m p l e s n e e d e d

f o r a s y s t e m a t i c s t u d y , o n t h e o t h e r .

T h i s p a p e r p r e s e n t s t h e r e s u l t s o f a n e x p e r i m e n t a l p r o g r a m

t o m e a s u r e t h e p e r f o r m a n c e o f a r a n g e o f i n - l i n e f la t t u b e a n d

l o u v e r e d p l a t e f in s u r f a c e s . T h e s p a r s e l i t e r a t u r e o n t h e

o p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f l o u v e r e d s u r f a c e s i s r e v i e w e d i n

t h e s e c o n d s e c t i o n . T h e n t h e t e s t s u r f a c e s a n d t h e i r m o d e o f

m a n u f a c t u r e a r e d e s c r i b e d . F o l l o w i n g t h a t , e x p e r i m e n t a l te s t

e q u i p m e n t i s d e s c r i b e d , a n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s a r e p r e -

s e n t e d . T h e c o r r e l a t i n g e q u a t i o n s d e r i v e d t o e x p r e s s S t a n t o n

n u m b e r a n d f r i c t io n f a c t o r a s f u n c t io n s o f R e y n o l d s n u m b e r s

a n d t h e g e o m e t r i c a l p a r a m e t e r s a r e p r e s e n t e d i n t h e f i n a l

s e c t i o n .

F L O W P H E N O M E N A I N L O U V E R E D F I N S

A s s t a t e d i n t h e i n t r o d u c t i o n , v e r y f e w p e r f o r m a n c e d a t a a r e

a v a i l a b l e i n t he l i t e r a t u re . H o w e v e r , a n u m b e r o f a u t h o r s h a v e

c o n s i d e r e d t h e o p e r a t i n g m e c h a n i s m s o f l o u v e r e d h e a t t r a n s f e r

s u r f a c e s .

B e a u v a i s [ 3 ] u s e d f l o w v i s u a l i z a ti o n o n l a r g e - s c a l e m o d e l s

t o d e m o n s t r a t e t h a t l o u v e r s a c t t o r e a l i g n t h e a i r f l o w i n a

d i r e c t i o n p a r a l l e l to t h e i r o w n p l a n e s . S m i t h [ 4] m o d e l e d

p r e s s u r e d r o p t h r o u g h a l o u v e r e d m a t r i x b y t r e a ti n g t h e m a t r i x

a s a n a s s e m b l y o f f l a t p l a t e s . A g r e e m e n t t o w i t h i n 1 5 % o f t h e

e x p e r i m e n t a l r e s u l ts w a s c l a i m e d . L a t e r a t t e m p t s t o m o d e l h e a t

t r a n s f e r [ 5 ] w e r e l e s s s u c c e s s f u l . W o n g a n d S m i t h [ 6 ]

c o n f i r m e d t h e v a l i d i t y o f u s i n g l a r g e - s c a l e m o d e l s f o r e v a l u a -

t i o n o f t h e s e s u r f a c e s a n d a l s o c a r r i e d o u t l o c a l a i r v e l o c i t y

m e a s u r e m e n t s t h a t c o n f i r m e d t h e f l o w - d i r e c t i n g p r o p e r t i e s o f

t h e l o u v e r d i s c o v e r e d b y B e a u v a i s .

D a v e n p o r t [ 7 ] h a s p r e s e n t e d a c o m p r e h e n s i v e s t u d y o f t h e

c h a r a c t e r i s ti c s o f a n o n s t a n d a r d v a r i a n t o f t h e f l a t t u b e a n d

l o u v e r e d c o r r u g a t e d f in . H e r e p e a t e d t h e s m o k e t r a c e m e a s u r e -

m e n t s o f B e a u v a i s a n d d e m o n s t r a t e d t h a t t h e d e g r e e o f

a l i g n m e n t w i t h t h e l o u v e r s w a s a f u n c t i o n o f R e y n o l d s n u m b e r .

A t l o w R e v a l u e s , r e a l i g n m e n t w o u l d b e s l i g h t , b u t a t h ig h R e

i t W as a l m o s t c o m p l e t e . D a v e n p o r t c o n j e c t u r e d t h a t a t l o w a i r

v e l o c i t ie s th e d e v e l o p i n g b o u n d a r y l a y e r s o n t h e l o u v e r s

Address correspondence to Dr. T. A. Cow ell, Department of Mechanical and Production Engineering, Brighton Polytechnic, Moulsecoomb, Brigh-

ton, UK BN2 4GJ.

Experimental Thermal and Fluid Science 1988; 1:14.7-157

1988 by Elsevier Science Publishing Co., Inc., 52 Vanderbilt Avenue, New York, NY 10017 0894-1777/88/$3.50

14 /


2/11


3/11

3 0

2 5

{ -

cu

13

I

= 2 0

r -

tO

r "

U

I11

E 10

I t i I i ' ' l 1 I I ' I i ' I t i i ' ' I

c u r v e s m a r k e d w i t h L o u v r e a n g l e

3 5

I ' i t i t 1 I

Reynolds number Re

3 0

2 5

2 0

15

F I L

I

1 . 5

- - - 2 . 5

I 1 I I I I I

1000

Fla t Tube and Louvered P la te F in Sur faces 149

Figure 3 . Mean f low ang le fo r fu l ly deve loped

per iod ic f low th rough a louver a r ray as a

function o f Reyn olds num ber and rat io of f in

pitch to louver pi tch.

a s a m p l e w i t h f a c e a r e a a p p r o x i m a t e l y 1 5 0 m m s q u a r e f o r

wind tunne l t e s t ing .

T E S T E Q U I P M E N T

T h e w i n d t u n n e l f o r d e t e r m i n a t io n o f h e a t t r a n s f e r a n d p r e s s u r e

d r o p c h a r a c t e r is t i c s i s s h o w n d i a g r a m m a t i c a l ly i n F i g . 5 . T h e

induced f low tunne l i s powered by a cen t r i fuga l f an tha t i s

c a p a b l e o f d e li v e r i n g a v e l o c i t y o f 2 0 m / s a t th e 1 5 0 m m s q u a r e

tes t sec t ion wi th the denses t t e s t sample in p lace . F low i s

con t ro l l ed by th ro t t l ing the fan ou t le t . For ve ry low ve loc i t i e s ,

be low 5 m/s , f low th ro t t l ing l eads to ins tab i l i t i e s , and an

a l te rna t ive ax ia l f an i s swi tched in to the duc t . Th is a l lows

s tab le ve loc i t i e s down to 0 .5 m/s to be ach ieved . In a l l cases ,

f low un i fo rm i ty i s found to be be t t e r than 2-~ ov er the face

o f th e t e s t s a m p l e . T h i s a l l o w s a i r v e l o c i t y t o b e m e a s u r e d

a t a s in g l e l o c a t i o n u p s t r e a m o f t h e s a m p l e u s i n g a P i t o t

t u b e . T o p r o v i d e a s i g n a l f o r a u t o m a t i c d a t a p r o c e s s i n g , t h e

P i t o t t u b e i s c o n n e c t e d t o o n e o f t w o t y p e F C 0 4 0

t r a n s d u c e r s f r o m F u r n e s s C o n t r o l . T h e f i r s t h a s a n o p e r a t -

2 8 1 6 O 1 6 2 . 8

t -

{ i . ]

L ]

I I I I I I I i i

L ~

}

I I I I I I I I I

u u u U U _

2

I I I U

~ - - - 1 - - - - - -

. . . .. , , , , , - , - , , , , , , , , . - -- ~ f i n

3-1 15 4 /+'6 pik:h

F i g u r e

4. The f lat-sided tube and louvered plate f in

geomet ry .


4/11

1 5 0 A . A c h a i c h i a a n d T . A . C o w e l l

Table

1 . D i m e n s i o n a l D e t a i l s o f V a r i an t s T e s t e d

Variant

Tube

Fin Louve r Louver Transverse

Pitch Pitch Angle Pitch

F ram) L ram) ~ deg) T ram)

Min. free

Hydraulic fl ow area

Rows of Diameter frontal area

Tubes dh ram) o

1 2.02 1.4 25.5 11 2 3.33 0.813

2 3.25 1.4 25.5 11 2 4.9 4 0.822

3 1.65 1.4 25.5 11 2 2.69 0 808

4 2.09 1.4 21.5 11 2 3.37 0 814

5 2.03 1.4 28.5 11 2 3.30 0 813

6 2.15 1.4 25.5 11 1 3.47 0 813

7 1.70 1.4 25.5 11 1 2.76 0 807

8 2.11 0.81 29 11 2 3.38 0 812

9 1.72 0.81 29 l 1 2 2.81 0 807

10 3.33 0.81 29 11 2 5.02 0 820

11 2.18 1.1 30 11 2 3.49 0 813

12 2.16 0.81 20 11 2 3.45 0 812

13 2.16 1.1 28 8 2 3.14 0 746

14 2.17 1.1 22 14 2 3.66 0 850

15 2.17 1.1 22 8 2 3.16 0.747

a = ratio of minimum free-flow area to frontal area.

i n g ra n g e o f 0 - 3 m m H 2 O g f o r m e a s u r e m e n t o f l o w a i r

v e l o c i t i e s a n d t h e o t h e r a r a n g e o f 0 - 2 0 m m H 2 O g f o r h i g h -

v e l o c i t y m e a s u r e m e n t T h e s e w e r e c a l i b r a t e d a g a i n s t in -

c l i n e d t u b e w a t e r m a n o m e t e r s

A i r t e m p e r a t u r e d i f f e r e n t i a l a c r o s s t h e s a m p l e w a s

m e a s u r e d b y a 2 x 9 j u n c t i o n t h e r m o p i l e g r i d m a d e u p o f

c h r o m e l - a l u m e l t h e r m o c o u p l e s . T h e u s e o f n i n e j u n c t i o n s

f o r e a c h s i d e y i e l d e d t w o a d v a n t a g e s . T h e f i r st i s t h e l a r g e

s i g n a l f o r i m p r o v e d a c c u r a c y a n d t h e s e c o n d is a u t o m a t i c

a v e r a g i n g o f t h e a i r t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t io n f r o m t h e o u t l e t

f a c e . T h e a i r i n l et te m p e r a t u r e w a s m e a s u r e d r e l a t i v e t o th e

w a t e r i n l e t t e m p e r a t u r e u s i n g a d i f f e r e n t ia l t h e r m o c o u p l e .

T h e w a t e r i n l e t t e m p e r a t u r e w a s m e a s u r e d d i r e c t l y b y a

c h r o m e l - a l u m e l t h e r m o c o u p l e u s i n g a n e l e c tr o n i c c o l d

j u n c t io n T h e a i r - s i d e p r e s s u r e d r o p a c r o s s t h e s a m p l e w a s

m e a s u r e d f r o m p r e s s u r e t a p p i n g s u p s t r e a m a n d d o w n -

s t r e a m w h i c h w e r e c o n n e c t e d t o a f u r t h e r F C 0 4 0 p r e s s u r e

t r a n s d u c e r w i t h o p e r a t i n g r a n g e 0 - 2 5 0 m m H 2 O g .

W a t e r w a s h e a t e d i n a 4 5 0 - l i t e r r e s e r v o i r w i t h t h r e e 7 . 5

k W e l e c t r i c h e a t i n g e l e m e n t s a n d t h e t h y r i s t o r c o n t r o l l e r

m a i n t a i n e d t h e w a t e r t e m p e r a t u r e w i t h i n 0 . 2 K . A f i x e d

w a t e r f l o w r a t e o f 1 . 8 k g / s w a s s u p p l i e d b y a t y p e 1 1 4

i n f a k ~

, ~ = ~ f f u s e r

h o n e y ~ : o m b

w a t e r

f to w r a t e a x i a ~

I

f a n ~ /

a i r /w a f e r w a t e r i n t e r ] ] / /

t e m p e r a tu r e s w i tc h - - ~

t e m p e r a t u r e [ , ,

d i f f e r e n c e ~ - - - J w a t e r t e m p e r a t u r e f [ o w ~ .

a , r ~ ] . . . . . . ]l ' ~ d i f f e r e n c e

c o n f r r I

v e t c H j

. . . . , ,

, I

I i I

sa p[e

i _, ;_. , i

p r e s s u r e , , ,

. ~ . . . . . . . , d l - - -

o r o p - - - ~ . . a i r t e m p e r a t u r e

d i f f e r e n c e f a n

@

b y p a s s - - . - t o t a n k

. - - f r o m ta n k

w a t e r p u m p

igure 5 . W i n d t u n n el f o r m e a s u r e m e n t s o f h e a t t ra n s f e r a n d p r e s s u r e d r o p c h a r a c t e r i s t i c s.


5/11


6/11

152 A Achaichia and T A Cowell

. w

. .

0 I

= - l ' -

u

r 1

E

r -

t-

no

( / )

0 0 1 _

1 0 0

1 1

R e y n o ld s n u m b e r R e

Figure 6 a)

~

0 1

i -

0 01

100

; I . g . ; I~ . . w . I l w . j

6

5

, | | , i | | l ' I i I I i

1 0 0 0 1 0 0 0 0

R e y n o l d s n u m b e r R e

Figure 6 b )


7/11

Fla t T ube and L ouver ed P l a t e Fin Sur f aces 153

L

O

,.4,--

U

r -

O

..4.--

U

E

0 1

..

flJ

E

-]

i -

n

o

,,4-.

t -

t O

0.01

100

I i i I i i i I i i i I

i i i i i i i i i i

1

Reynolds number Re

Figure 61c)

i i i i i i

1OOOO

L

O

U

--

O

.4--.

U

E

0 1

L

. . D

E -

r

0

. 4 - -

f 'O

0 01

100

E

5

1000 10000

Reyno lds num ber Re

Figure 6 d)


8/11


t -

O

t . I

t O

q - .

t -

O

- 4 . -

7 -

M---

0 1

F i g u r e 6 . E x p e r i m e n t a l v a l u e s o f S t a n t o n n u m b e r a n d

f r ic t ion fac to r p lo t ted aga ins t Reyno lds number based on

h y d r a u l i c d ia m e t e r . C u r v e s i d e n t i fi e d w i t h v a r i a n t n u m b e r

(Table 1).

f_

t u 1 - -

3

E

t -

t -

O

c -

t O

. 4 . .

( / )

0 . 0 1 _

1 0 0

C O R R E L A T I O N O F R E S U L T S

A s a r e s u l t o f t h e v e r y d i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e S t a n t o n

n u m b e r a n d f c u r v e s , d i f f e r e n t m e t h o d s o f c o r r e l a t i o n w e r e

r e q u i r e d f o r e a c h .

S t a n t o n N u m b e r C o r r e l a t i o n

I t is o b v i o u s f r o m c o n s i d e r a t i o n o f t h e c u r v e s s h o w n i n F i g . 6

t h a t n o s i n g l e c u r v e o f t h e t r a d i t i o n a l f o r m c a n b e e x p e c t e d t o

d e s c r i b e t h e c o m p l e x b e h a v i o r o f t h e S ta n t o n n u m b e r . H o w -

t~

1 1

12

1 0 0 0 1 0 0 0 0

R e y n o l d s n u m b e r R e

F i g u r e 6 e )

e v e r , a s i n g l e e q u a t i o n d e s c r i b i n g t h e h i g h R e e n d o f t h e d a t a i s

p o s s i b l e . I t w a s f o u n d t h a t f a r b e t t e r c o r r e l a t i o n c o u l d b e

a c h i e v e d b y b a s i n g R e y n o l d s n u m b e r o n l o u v e r p i t c h r a t h e r

t h a n h y d r a u l i c d i a m e t e r . T h i s i s n o t s u r p r i s i n g , b e c a u s e t h e

l o u v e r s a r e b e h a v i n g l i k e a n a r r a y o f f l a t p l a t e s o f l e n g t h e q u a l

t o t h e l o u v e r p i t c h a t h i g h R e . T h e b e s t r e s u l t i n g e q u a t i o n f o r

R e v a l u e s b a s e d o n l o u v e r p i t c h , R e = 1 5 0 - 3 0 0 0 , i s

o . 1

S t= 1.54 Re~ -sT (2)

F i g u r e 7 . P l o t o f a i r o u tl e t te m p e r a t u r e a s a

func t ion o f a i r ve loc i ty fo r sample 10 .

8 I I I I I

u 6 6 f

O

6 /

6 2

6 0 -

~ S B

~ 5 6

I I I I I < ~

0 1 2 3 / 5 6

A i r v e l o c i t y m /s


9/11

4

v 0 .1

. ,

1 /

r t

l

r -

t -

O

dl .-

r-

lJ

-I--

(./3

0 01

I I I I I I I I I I I I I I I I t l

c u r v e s m a r k ed w i t h v a r ia n t n u m b e r

- . . 8 f l a t p l a t e

I I I I I I i l l I I I I I I I I I

10 100 1000

R e y n o L d s n u m b e r R e t

F l a t T u b e a n d L o u v e r e d P l a t e F i n S u r f a c e s 1 5 5

F i g u r e 8 . S tan ton number cu rves fo r va r ian ts 8 , 10 ,

and 12 , dem ons t ra t ing t rans i t ion f rom duc t to f la t -p la te

f low.

w h e r e F i s f i n p i t c h , L i s l o u v e r p i t c h , T i s t r a n s v e r s e t u b e

p i t c h , a n d H i s l o u v e r h e i g h t g i v e n b y

H = L s i n a ( 3 )

w h e r e c~ i s lo u v e r a n g l e . N u m b e r o f t u b e r o w s w a s f o u n d n o t t o

h a v e a n y s i g n i f i c a n c e i n t h is o r i n a n y o f t h e l a t e r c o r r e l a t i o n s .

T h i s e q u a t i o n y i e l d s a r e g r e s s i o n c o e f f i c i e n t o f 0 . 9 8 a n d

g i v e s S t v a l u e s t o w i t h i n 1 0 . T h e R e y n o l d s n u m b e r p o w e r i s

n o t f a r f r o m t h e P o h l h a u s e n v a l u e o f 0 . 5 f o r f l o w o v e r a f l a t

p l a t e . I n a l l c a s e s t h e p o w e r t o w h i c h t h e n o n d i m e n s i o n a l

p a r a m e t e r r a t i o s a r e r a i s e d i s r e l a t i v e l y s m a l l b u t s i g n i f i c a n t .

I t h as b e e n s u g g e s t e d t h a t to w a r d t h e l o w R e e n d o f t h e r a n g e

t h e f l o w u n d e r g o e s a t r a n s i t i o n f r o m l o u v e r d i r e c t i o n t o f i n

d i r e c t i o n . I f t h i s is t h e c a s e , t h e n t h e h e a t t r a n s f e r c h a r a c t e r i s -

t i c s s h o u l d u n d e r g o a t r a n s i t i o n f r o m f l a t p l a t e b e h a v i o r t o t h a t

a p p r o p r i a t e t o d u c t f l o w . T h i s i d e a i s s u p p o r t e d b y t h e c u r v e s

p l o t t e d in F i g . 8 . T h e e x p e r i m e n t a l c u r v e s a r e f o r v a r i a n ts 8 ,

1 0 , a n d 1 2 , w h i c h a l l h a v e 0 . 8 1 m m l o u v e r p i t c h . R e y n o l d s

n u m b e r i s b a s e d o n l o u v e r p i t c h , a n d t h i s t im e t h e e x p e r i m e n t a l

d a t a p o i n ts a r e s h o w n . I t c a n b e s e e n h o w , a t t h e h ig h R e e n d ,

t h e c u r v e s a r e a l m o s t p a r a l l e l to t h e P o h l h a u s e n e q u a t i o n f o r

f l o w o v e r a n i s o l a t e d f l at p la t e . T h e c u r v e s s e e m t o a p p r o a c h

t h e e q u a t io n f o r f u l l y d e v e l o p e d d u c t f l o w a t t h e l o w e s t R e f o r

e a c h t e s t . T h e c u r v e p l o t t e d i s f o r a N u s s e l t n u m b e r e q u a l t o

4 . 5 , w h i c h i s t h e v a l u e a p p r o p r i a t e t o r e c t a n g u l a r p a s s a g e s

w i t h a n a s p e c t r a t io e q u a l t o 3 . 3 . T h e s a m p l e s h a v e p a s s a g e

a s p e c t r a t i o s v a r y i n g f r o m 2 . 7 t o 4 . I t c a n t h u s b e c l e a r l y s e e n

t h a t t h e S t a n t o n n u m b e r c u r v e s a r e c o n s i s t e n t w i t h a t r a n s i t i o n

f r o m d u c t f l o w t o f l a t p l a t e f l o w .

T h e s e c o n s i d e r a t i o n s s u g g e s t a p o s s i b l e m e t h o d f o r i m -

p r o v e m e n t o f t h e e q u a t io n d e s c r i b i n g S t a n t o n n u m b e r a s a

f u n c t i on o f R e y n o l d s n u m b e r . T h e S t a n t o n n u m b e r c a n b e

c o n s i d e r e d a s th e s u m o f tw o c o m p o n e n t s :

S t = (1 - v )S ta + VStp (4)

w h e r e S t a i s t h e d u c t f l o w c o m p o n e n t , S t p i s t h e p l a t e f l o w

c o m p o n e n t , a n d 3 ' i s a f u n c t i o n t h a t i n c r e a s e s f r o m z e r o t o

u n i t y a s R e i n c r e a s e s . 3 , o b v i o u s l y a l s o n e e d s t o b e s o m e

f u n c ti o n o f t h e g e o m e t r i c a l p a r a m e t e r s . A s o l u t i o n h a s b e e n

f o u n d t h a t m a k e s u s e o f t h e t h e o r e t i c a l r e s u l t s g i v e n i n F i g . 3 ,

t a k e n f r o m R e f . 9 . A s i m p l e p o l y n o m i a l e q u a ti o n w a s

d e v e l o p e d t o d e s c r i b e t h e r a t io o f m e a n f l o w a n g l e t o l o u v e r

a n g l e a s a f u n c t i o n o f l o u v e r a n g l e , t h e r a t i o o f f i n p i t c h t o

l o u v e r p i t c h , a n d R e :

/3/c~ = (0 .936 - 24 3 /R e t - 1 .7 6F /L 0 .995 t~) /t~ (5 )

w h e r e / 3 i s th e m e a n f l u i d f l o w a n g l e i n d e g r e e s .

I t i s c l e a r t h a t t h e r a t i o o f m e a n f l o w a n g l e t o l o u v e r a n g l e i s

a m e a s u r e o f t h e e x te n t t o w h i c h t h e f l o w i s d o w n t h e d u c t o r

o v e r t h e l o u v e r s . I t a l s o h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c t h a t i t s v a l u e s

a p p r o a c h 1 a s R e i n c r e a s e s . T h e c o r r e l a t i n g p r o c e d u r e w a s

t h e r e f o r e r e p e a t e d s e t t i n g 7 = ~ /c ~ , a n d t a k i n g a l l d a t a f o r R e

> 7 5 . F o r s i m p l i c i t y , t h e d u c t f l o w c o m p o n e n t o f S t a n t o n

n u m b e r w a s i g n o r e d , s i n c e i t is n e g l i g i b l e a t R e y n o l d s n u m b e r s

o f p r a c t i c a l i n te r e s t. T h e i m p r o v e d e q u a t i o n i s

S t =/ 3 1 .55 4 R e / ~ 0 . 5 9 ( T ) - ' 9 ( F ) - 4

- 6 )

T h e r e g r e s s i o n c o e f fi c i e n t w a s a g a i n 0 . 9 8 . T h e H/L t e r m h a s

d i s a p p e a r e d , a n d t h e e x p o n e n t o f F /L h a s b e c o m e v e r y s m a l l .

T h e T /L t e r m h a s a l s o b e c o m e l e s s s i g ni f i c a nt . T h i s s u g g e s t s

f u r t h e r s i m p l i f i c a t i o n o f t h e c o r r e l a t i o n b y e x c l u d i n g t h e

e f f e ct s o f t h e g e o m e t r i c a l p a r a m e t e r s a l t o g e t h e r t o y i e l d

S t = ~ 1 .18 Re / -58 (7 )

O/

D e s p i t e l o s s o f t h e T /L t e r m , t h i s e x p r e s s i o n s t i l l h a s a

r e g r e s s i o n c o e f f ic i e n t o f 0 .9 7 . T h i s s i m p l e e q u a t i o n i s f o u n d t o

d e s c r i b e a ll t h e S t a nt o n n u m b e r d a t a f o r R e t > 7 5 to w i t h i n

10 .

F r i c t io n F a c t o r C o r r e l a t i o n

C o n s i d e r a t i o n o f t h e f r i c t i o n f a c t o r r e s u l ts s h o w e d t h a t i n a l l

c a s e s t h e s l o p e o f t h e c u r v e s p l o t t e d o n a l o g - l o g b a s i s c h a n g e s

c o n t i n u o u s l y f r o m a v a l u e a p p r o x i m a t e l y e q u a l t o - 1 a t l o w

R e t o a v a l u e a r o u n d - 0 . 3 a t t h e h i g h R e e n d . W h e n p l o t t e d

a g a i n s t a l o u v e r p i t c h R e y n o l d s n u m b e r , i t i s c l e a r t h a t t h e

s l o p e i s v e r y l a r g e l y a f u n c t i o n o f R e a l o n e . I t i s a l s o f o u n d t h a t

f v a l u e s r a n g e f r o m 3 0 t o o v e r 10 0 a b o v e t h e v a l u e s g i v e n

b y t h e B l a s i u s e q u a t i o n f o r f l o w o v e r a f l a t p l a t e . T h i s

p r e s u m a b l y i s b e c a u s e o f th e d u c t f l o w p h e n o m e n o n a t lo w R e

v a l u e s a n d b e c a u s e o f a n i n c r e a s i n g l y s i g n i f i c a n t f o r m d r a g

c o m p o n e n t o f t h e f l u i d r e s is t a n c e a t t h e h i g h R e e n d .

T h e c o n t i n u o u s l y c h a n g i n g s l o p e o f t h e f r i c t io n f a c t o r c u r v e s

m e a n s t h a t c o r r e l a t i n g e q u a t io n s o f t h e s t a n d a r d f o r m c a n n o t


10/11


b e d e v e l o p e d . A s a f i r s t s t e p i n a r r i v i n g a t a s o l u t i o n t o t h i s

p r o b l e m , a l l t h e e x p e r i m e n t a l d a t a w e r e u s e d t o d e r i v e a

p o l y n o m i a l e q u a t i o n f o r a v e r a g e f r i c t i o n f a c t o r a s a f u n c ti o n o f

R e a l o n e . T h e s e c o n d - o r d e r p o l y n o m i a l i s

log fA = 2 .775 - - 2 .25 log Re L+ 0 .31 8 ( log Re t . ) 2 (8 )

R e a r r a n g e m e n t o f t h i s e q u a ti o n y i e l d s

fA = 596 R e~ 3t~ log ReL-2.25) (9)

T h e v a l u e o f t hi s p a r a m e t e r f A c a n b e c a l c u l a t e d f ro m t h e v a l u e

o f R e L f o r a n y d a t a p o i n t a n d c a n b e u s e d i n a c o r r e l a t i o n

e x e r c i s e i n t h e n o r m a l w a y i n s t e a d o f t h e p a r a m e t e r R e L .

A t t e m p t s w e r e m a d e t o d e r i v e c o r r e l a t i o n s u s in g a l l p o s s i b l e

n o n d i m e n s i o n a l c o m b i n a t i o n s o f t h e g e o m e t r i c v a r i a b l e s , b u t i t

w a s f o u n d t h a t s a t i s f a c t o r y a c c u r a c y c o u l d o n l y b e a c h i e v e d

w i t h t h e u s e o f d i m e n s i o n a l p a r a m e t e r s . T h e f i n a l e q u a t i o n f o r

t h e f r i c t i o n f a c t o r i s

f= 0 .895 f l .O7F - 0.22L 0.25 T0.26H0.33 (10 )

w h e r e a l l d i m e n s i o n s a r e i n m i l l i m e t e r s .

E q u a t i o n ( 1 0 ) p r e d i c t s f r i c t i o n f a c t o r s t o w i t h i n 1 0 % f o r

v a l u e s o f R e b e t w e e n 1 5 0 a n d 3 0 0 0 . F o r R e < 1 5 0 , it i s f o u n d

t h a t a s im p l e r e l a t i o n s h i p o f t h e s t a n d a r d f o r m c a n b e d e r i v e d .

T h e r e s u l t i s

f = 10.4 Re/~ l17F SL 124H25 T 0 '83 (11)

T h e c o r r e l at i o n c o e f f ic i e n t i s 0 . 9 1 . T h e s l o p e o f - 1 . 1 7 i s

c l o s e to t h e e x p e c t e d v a l u e f o r d u c t f l o w ( - 1 ).

C O N C L U S I O N S

T h i s p a p e r r e p r e s e n ts t h e f i r st p u b l i c a t i o n o f c o m p r e h e n s i v e

p e r f o r m a n c e d a t a f o r f l a t t u b e a n d l o u v e r e d p l a t e f i n s u r f a c e s .

T h e d a t a c o v e r t h e R e y n o l d s n u m b e r r a n g e f r o m 1 2 0 to 8 0 0 0

f o r t h e h e a ti n g o f a i r a t a m b i e n t t e m p e r a t u r e s . T h e e x t r e m e l y

c o m p l e x b e h a v i o r d e m o n s t r a t e d b y t h e S t a n t o n n u m b e r c u r v e s

h a s b e e n e x p l a i n e d i n t e r m s o f t r a n s it i o n f r o m a f l a t p l a t e t o

a d u c t f l o w c h a r a c t e r is t i c a s R e y n o l d s n u m b e r i s r e d u c e d . I t

o c c u r s w h e n t h e b o u n d a r y l a y e r s b u i l d i n g u p o n t h e l o u v e r

l e a d i n g e d g e s b e c o m e t h i c k e n o u g h t o e f f e c t i v e l y b l o c k o f f t h e

g a p b e t w e e n a d j a c e n t l o u v e r s i n a f i n . E a r l i e r w o r k e r s [ 7 ]

s u g g e s t e d t h a t t h i s i s a c a u s e o f f l a t t e n i n g o f t h e S t a n t o n

n u m b e r c u r v e a s R e y n o l d s n u m b e r i s r e d u c e d . T h i s i s

c o n f i r m e d , a n d t h e e f f e c t is c o n c l u s i v e l y d e m o n s t r a t e d h e r e f o r

t h e f i r s t t i m e . T h e r e s u l t s o f a t h e o r e t i c a l d e s c r i p t i o n o f t h e

f l o w p a t t e r n s t h r o u g h l o u v e r a r r a y s [ 9 ] h a v e b e e n u s e d t o h e l p

d e r i v e s i m p l e a n d a c c u r a t e c o r r e l a t i n g e q u a t i o n s . T h e s e c a n b e

u s e d f o r f i n d e s i g n ,

T h e r e c o g n i t io n o f t h e p o s s i b i l i t y o f d u c t f l o w a t l o w R e i s

i m p o r t a n t f o r t h e f i n d e s i g n e r . I n r e c e n t y e a r s t h e t r e n d h a s

b e e n t o w a r d e v e r - r e d u c i n g l o u v e r p i t c h i n o r d e r t o i n t r o d u c e

m o r e l e a d i n g e d g e s a n d t h u s i n c r e a s e m e a n h e a t t r a n s f e r

c o e f f i c i e n t s . H o w e v e r , a s t h e r e s u l t s h e r e d e m o n s t r a t e , t h e

d a n g e r e x i s ts o f i n d u c i ng t h e n o n d e s i r e d d u c t f l o w t o o f a r

u p t h e v e l o c i t y r a n g e , p a r t i c u l a r l y i f s m a l l l o u v e r p i t c h i s

c o m b i n e d w i t h l a r g e f i n p i tc h a n d / o r s m a l l l o u v e r a n g l e . T h e

r e s u l t s g i v e n h e r e a l l o w t h e d e s i g n e r t o a v o i d t h i s d a n g e r .

T h e c o r r e l a t i o n s p r e s e n t e d h e r e w e r e d e v e l o p e d f r o m

m e a s u r e m e n t s o n s a m p l e s a t a s c a l e th a t i s r e p r e s e n t a t i v e o f

t h a t u se d i n i n d u s t r y , a n d a s s u c h t h e y a r e h i g h l y a p p l i c a b l e t o

t h e o p t i m i z a t i o n o f h e a t t r a n s f e r s u r f a c e d e s i g n s i n t h e r e g i o n

o f t h e g e o m e t r i c r a n g e c o v e r e d b y t h e e x p e r i m e n t a l p r o g r a m .

T h e c o r r e l a t i o n s h a v e a l r e a d y b e e n u s e d t o d e s i g n p r o d u c t io n

f i n s t h a t y i e l d v e r y s i g n i f i c a n t p e r f o r m a n c e a d v a n t a g e s o v e r

e x i s t i n g d e s i g n s .

The au thors wo uld like to th ank Covrad H eat Transfer for their

contribution to this program o f wo rk. Out gratitude is also due to Ford

Motor Com pany, whose generous support for the department 's wider

research program m ade available the test equipment use d in the w ork

described here.

N O M E N C L A T U R E

A T o t a l a r e a f o r h e a t t r a n s f e r , m 2

A c M i n i m u m f r ee f l o w a r e a , m 2

Cp

S p e c i f i c h ea t c a p a c i t y , J / ( k g K )

dh

H y d r a u l i c d i a m e t e r , E q . ( 1 ) , m

F F i n p i t c h , m m

f F a n n i n g f r i c t i o n f a c t o r , d i m e n s i o n l e s s

fA

C o r r e l a t i n g p a r a m e t e r i n E q s . ( 8 ) - ( 1 0 ) , d i m e n s i o n l e s s

G M a s s v e lo c i t y t h r o u g h m i n i m u m fr e e - f l o w a r e a ,

k g / ( m 2 s )

h H e a t t r a n s fe r c o e ff i c i e nt , W / ( m ~ K )

H L o u v e r h e i g h t, m m

L L o u v e r p i t c h , m m

L s H e a t tr a n s f e r m a t r i x d e p t h i n a i r f l o w d i r e c t i o n , m

N tu N u m b e r o f h e a t t r a n s f e r u n i ts , d i m e n s i o n l e s s

R e R e y n o l d s n u m b e r b a se d o n h y d r a u l i c d i a m e t e r

( = d h G / ) ,

d i m e n s i o n l e s s

R eL R e y n o l d s n u m b e r b a s e d o n l o u v e r p i t c h ( =

L G / ) ,


S t S t a n to n n u m b e r ( =

h / G c p ) ,


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