The present numerical study investigates flow characteristics and heat transfer enhancement of the viscoelastic non-Newtonian fluid in a 2:1 rectangular duct. The combined effect of temperature-dependent viscosity, buoyancy and secondary flow caused by second normal stress difference are all considered. The Reiner-Rivlin model is used as a viscoelastic fluid model to simulate the secondary flow and temperature-dependent viscosity model is adopted. Three types of thermal boundary conditions involving different combinations of heated walls and adiabatic walls are considered in this study. Calculated Nusselt numbers are in good agreement with experimental results in both the thermal developing and thermally developed regions. The heat transfer enhancement can be explained by the combined viscoelasticity-driven secondary flow, buoyancy-induced secondary flow and temperature-dependent viscosity.
Numerical simulation is made of a stably stratified salt-water solution due to lateral heating in an equilateral trapezoidal enclosure using boundary-fitted coordinate in grid generation. Results show four types of the global fluid pattern depending on the buoyancy ratio in the enclosure, i.e., unicell flow pattern for the low buoyancy ratio, layered flow pattern for the increasing buoyancy ratio, layered flow pattern with stagnant zone for the relatively high buoyancy ratio and stagnant flow pattern for the much higher buoyancy ratio.
The present study investigates flow character and heat transfer behaviors of viscoelastic non-Newtonian fluid in a 2:1 rectangular duct. An axially-constant heat flux on bottom wall and peripherally constant temperature boundary condition(H1) was adopted. The Reiner-Rivlin fluid model is used as the normal stress model for the viscoelastic fluid and temperature-dependent viscosity model is adopted. The present results show a signifiant change of the main flow field which causes a large heat transfer enhancement. This phenomena can be explained by the combined effect of buoyancy, temperature-dependent viscosity and viscoelastic property on the flow.
Global buckling is a bending of pipeline and it occurs when the stability of pipeline is distributed by excessive axial force. Subesea pipeline is subjected to axial force induced by temperature and pressure from well and resulting phenomena should be controlled in appropriate manner. Global buckling of subsea pipeline is still ongoing research subject and is studied various organization. In this study, various control methods such as buoyancy module, sleeper, and snake lay for global buckling of subsea pipeline were numerically investigated with various design parameters. From the numerical simulation results, the global buckling control method using sleepers shows better results than buoyancy module and snake lay control methods in the sense of combined stress after buckling. Furthermore, the global buckling of full scale pipeline of 80km with uneven seabed profile were successfully managed when the sleeper was installed.
Turbulent heat transfer to $CO_2$ at supercritical pressure flowing in vertical tubes is investigated using direct numerical simulation (DNS). A conservative space-time discretization scheme for variable-density flows at low Mach numbers is adopted in the present study to treat steep variations of fluid properties at supercritical pressure just above the thermodynamic critical point. The fluid properties at these conditions are obtained using PROPATH and used in the form of tables in the simulations. The buoyancy influence induced by strong variation of density across the pseudo-critical temperature proved to play a major role in turbulent heat transfer at supercritical state. Depending on the degree of buoyancy influence, turbulent heat transfer may be enhanced or significantly deteriorated, resulting in local hot spots along the heated surface. Based on the results of the present DNS combined with theoretical considerations, the physical mechanism of this local heat transfer deterioration is elucidated.
The elliptic conceptual second moment models for turbulent heat fluxes, which are proposed on the basis of elliptic-blending and elliptic-relaxation equations, are applied to calculate the combined forced and natural turbulent convection in a vertical plane channel. The models satisfy the near-wall balance between viscous diffusion, viscous dissipation and temperature-pressure gradient correlation, and also have the characteristics of approaching its respective conventional high Reynolds number model far away from the wall. Also the models are closely linked to the elliptic blending model which is used for the prediction of Reynolds stress. In order to calibrate the heat flux models, firstly, the distributions of mean temperature and scala flux in fully developed channel flow with constant wall difference temperature are solved by the present models. The buoyancy effect on the turbulent characteristics including the mean velocity and temperature, the Reynolds stress tensor, and the turbulent heat flux vector are examined. In the opposing flow, the turbulent transport is greatly enhanced with both the Reynolds stresses and the turbulent heat fluxes being remarkably increased; whereas, in the aiding flow, the opposite change is observed. The results of prediction are directly compared to the DNS to assess the performance of the model predictions and show that the behaviors of the turbulent heat transfer in the whole flow region are well captured by the present models.
A combined convective heat transfer study for non-Newtonian fluids was experimentally performed in uniformly heated horizontal tubes with laminar flow in the thermal entry region. Velocity profiles were fully developed at the entrance of the heated sections in the tubes. Aqueous solutions of sodium carboxymethylcellulose(CMC ) were used; their behavior showed a reasonably good fit into the power-law model, .tau.=K.gamma.$^{n}$ . The test sections were made of copper with inside diameters of 3.23 cm and 5.042 cm and lengths of approximately 300 cm. Most experimental runs displayed noticeable secondary flows caused by buoyancy ; when present, secondary flows caused significant increase in the rate of heat transfer over the purely forced-convection case. A correlation, which relates the rate of heat transfer for flows with temperature-dependent properties, free convection effects, and non-newtonian effects, was suggested.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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