Irreversibility Field in Turbulent Heat Convection Problems

Irréversibilités volumiques dans les processus de convection thermique turbulents

Dept. of Engineering Thermodynamics, Politechnica University of Bucharest

Corresponding author: sdorin@mdd.combustion.pub.ro

Abstract

Most flows occurring in the field of power generation or refrigeration systems are turbulent. The analysis of the turbulent flows irreversibilities represents the first step in the optimization procedures based on the second law of thermodynamics. The simplicity of the irreversibility bulk level analysis cannot offer all the information about turbulence mechanisms of entropy production. The continuum level, which was recently adapted for the turbulent parabolic flows, is by far most sophisticated. Often it is performed only with the aid of numerical simulation, but it can reveal all the peculiarities of entropy generation structure. Taking into account the importance of entropy creation mechanisms in understanding the second law optimization procedures, this work deal with the theoretical and numerical investigation of irreversibility field for some turbulent heat convection problems. The results show that the irreversibilities created by the turbulent fluctuations are at least as important as those generated by the mean velocity and mean temperature gradients and cannot be neglected.

Résumé

Très souvent, les écoulements rencontrés dans les processus de convection thermique utilisés pour produire une puissance mécanique sont turbulents. Pour optimiser ces processus à l'aide du deuxième principe de la thermodynamique, il est nécessaire d'analyser d'abord les mécanismes des irréversibilités. De par la complexité des écoulements turbulents, le niveau global d'analyse ne peut offrir qu'une estimation grossière des dissipations exérgétiques. Le niveau local d'analyse, qui consiste dans le calcul de l'expression de génération volumique d'entropie, a été déjà adapté pour les écoulements turbulents paraboliques, pour lesquels les gradients de la vitesse et de la température moyenne, ainsi que la moyenne des gradients de leurs fluctuations contribuent également aux irréversibilités. Tenant compte du fait que la première étape du processus d'optimisation thermique, basée sur la minimisation des pertes exergétiques, consiste dans la compréhension des mécanismes de dissipation visqueux et thermique, ce travail est consacré à la simulation mathématique et numérique des irréversibilités volumiques pour quelques problèmes de convection force réalisés par un écoulement turbulent. Les résultats montrent que les mécanismes dissipatifs générés par les fluctuations turbulentes sont aussi importants que ceux issus de gradients de la vitesse de la température moyenne et ils ne peuvent pas être négligés.