Numerical analysis of the effect of fins on heat transfer in a rotary kiln

Abstract

تقدم هذه الأطروحة دراسة عددية تعتمد على ديناميكا الموائع الحسابية (CFD (بهدف تحليل تأثير الزعانف المولدة للاضطراب من نوع fin-Sharkعلى تحسين انتقال الحرارة داخل الفرن الدوار. ويتمثل الهدف الرئيسي في تحديد التكوين الهندسي الأمثل الذي يسمح بتحسين الأداء الحراري مع تقليل الفواقد الديناميكية المصاحبة. تم تطوير نموذج عددي ثنائي الأبعاد باستخدام نموذج الاضطراب ω-k SST لدراسة الظواهر الحرارية والهيد وديناميكية. وقد تم تحليل عدة معايير، منها: توزيع درجة الحرارة، عدد نوسلت الموضعي، معامل الاحتكاك، الطاقة الحركية الاضطرابية(TKE (، وخطوط الجريان. شملت الدراسة البارامترية ثلاث متغيرات هندسية رئيسية:  عدد الزعانف.  عمق الزعانف.  زاوية ميل الزعانف. أظهرت النتائج أن إضافة الزعانف تؤدي إلى تحسين انتقال الحرارة مقارنة بالحالة المرجعية دون زعانف، وذلك بفضل تكوين مناطق إعادة تدوير الجريان وتحسين عملية الخلط بين المائع القريب من الجدار والمائع الموجود في مركز المجرى. ومع ذلك، فإن الزيادة المفرطة في عدد الزعانف أو عمقها أو زاوية ميلها تؤدي إلى ارتفاع ملحوظ في فقدان الضغط ومعامل الاحتكاك. وبعد مقارنة مختلف التكوينات المدروسة، تبيّن أن أفضل أداء حراري–هيدروليكي إجمالي تم الحصول عليه عند التكوين التالي: 5زعانف – عمق الزعنفة – 0.5 = Dp زاوية الميل30°. = α الكلمات المفتاحية: عدد الزعانف، انتقال الحرارة، معامل الاحتكاك، رقم نوسلت، الطاقة الحركية للاضطراب. Résumé Ce travail de mémoire porte sur une étude numérique basée sur la méthode CFD afin d’analyser l’influence des ailettes turbulence de type Shark-fin sur l’amélioration du transfert thermique dans un four rotatif. L’objectif principal est de déterminer une configuration géométrique optimale permettant d’améliorer les performances thermiques tout en réduisant les pertes dynamique associées Un modèle numérique bidimensionnel a été développé en utilisant le modèle de turbulence SST k-ω afin d’étudier les phénomènes thermo-hydrodynamiques. Plusieurs paramètres ont été analysés : La distribution de température, le nombre de Nusselt local, le coefficient de frottement, l’énergie cinétique turbulence (TKE) et les lignes de courant. L’étude paramétrique a porté sur trois paramètres géométriques : Le nombre d’ailettes, la profondeur des ailettes, l’angle d’inclinaison des ailettes. Les résultats montrent que l’ajout des ailettes améliore le transfert thermique par rapport au cas sans ailettes grâce à la création de zones de recirculation et à l’amélioration du mélange entre le fluide proche de la paroi et le fluide central. Cependant, une augmentation excessive du nombre d’ailettes, de la profondeur ou de l’angle VIII d’inclinaison entraîne une augmentation importante des pertes de charge et du coefficient de frottement. Après comparaison des différentes configurations étudiées, la meilleure performance thermo-hydraulique globale est obtenue pour : 5 ailettes, profondeur Dp = 0.5, angle α = 30° Mot clé : Nombre d’ailette, Transfer de chaleur, coefficientent de frottement Nombre de Nusselt, l’énergie cinétique turbulence Abstract This thesis presents a numerical study based on the CFD method to analyze the influence of "shark fin" type turbulence-generating fins on heat transfer enhancement in a rotary kiln. The primary objective is to determine an optimal geometric configuration that improves thermal performance while minimizing associated dynamic losses. A twodimensional numerical model was developed using the SST k-ω turbulence model to investigate thermo-hydrodynamic phenomena. Several parameters were analyzed: temperature distribution, local Nusselt number, friction coefficient, turbulent kinetic energy (TKE), and streamlines. the parametric study focused on three geometric parameters: Number of fins, fin depth, and fin inclination angle. the results show that adding fins enhances heat transfer compared to the finless case by creating recirculation zones and improving mixing between the fluid near the wall and the fluid in the core. However, excessively increasing the number of fins, their depth, or the inclination angle leads to a significant rise in pressure drop and friction coefficient. After comparing the various configurations studied, the best overall thermo-hydraulic performance was achieved with: 5 fins, a depth of Dp = 0.5, and an angle of α = 30°. Keyword: Number fins, heat transfer, friction coefficient, SST k-ω, Nusselt Number, turbulent kinetic energy (TKE)