수직벽 화재의 연구에 사용할 전산유체역학 시뮬레이터를 검증하기 위해 수직벽 자연대류의 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 높이 4m의 등온 수직벽에 형성된 난류 경계층에서의 속도 및 온도 분포의 계산치를 측정치와 비교하였다. 시뮬레이터에 포함된 매개변수의 기본 값을 그대로 적용한 경우, 경계층 유동이 층류로 나타남에 따라 난류 자연대류를 예측하는데 실패하였다. 매개변수의 조사를 통해 격자크기 $\Delta$x=5mm, ${\Delta}y={\Delta}z=10mm$와 대와동모사(large eddy simulation)의 스마고린스키 상수(Smagorinsky constant) $C_s$=0.1을 선정하였다. 난류혼합이 미흡하였지만, 벽면근처에서의 속도분포와 최대속도, 그리고 난류 경계층 내 온도분포가 실험과 잘 일치하였다.
International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration
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제7권
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pp.79-90
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1999
This investigation presents the experimental results of forced convection boiling heat transfer around a circular, electrically heated horizontal cylinder to subcooled water in cross flow. In these experiments, the following primary variables were included: heat flux, flow velocity, pressure and degree of subcooling at inlet. Local surface temperatures were measured at nine peripheral positions. Local surface temperature distributions are classified into four categories depending on the supplied heat flux. The effects of the boiling curve depending on the fluid velocity, degree of subcooling at inlet and pressure are presented.
The convection of water is investigated in the vicinity of its density maximum temperature (277 K) in an inclined square cavity in the presence of heat sources. Numerical investigations are carried out by maintaining one of the vertical walls uniformly at 273 K and varying the other wall between temperatures 275 K and 285 K at different inclinations angles. The isotherms, streamlines and velocity profiles reveal the possible existence of multicellular fluid motions, and bidirectional velocity distributions. These fluid flow and heat transfer characteristics are significantly modified by the cavity inclination in the presence of heat sources.
Rice's monotone streamline upwind finite element method, which was proposed to treat convection-dominated flows, is applied to the linear triangular element. An alignment technique of unstructured grids with given velocity fields is used to prevent the interpolation error produced in evaluating the convection term in the upwind method. The alignment of grids is accomplished by optimizing a target function defined with the inner-product of a properly chosen side vector in the element with the velocity field. Two pure advection problems are considered to demonstrate the superiorities of the present approach in solving the convection-dominated flow on the unstructured grid. Solutions obtained with aligned grids are much closer to the exact solutions than those with initial regular grids. The capability of the present approach in predicting the appearance of the secondary vortex in the laminar confined jet impingement is shown by comparing streamlines to those produced by SIMPLE on a highly stretched grid toward the impingement plate.
Surface depression in the arc welding is calculated numerically to analyze its influence on pool convection and oscillation. The magnitude of surface depression due to arc pressure on the stationary GTA pool surface is relatively small, and fluctuations of the surface and velocity are caused mainly by arc pressure. The inward flow on the surface due to the electromagnetic force and positive surface tension gradient acts to decrease surface depression. Surface depression appears to have minor effects on average flow velocity and thus pool geometry. Pool oscillation occurs due to surface vibration, and oscillation frequencies are affected mainly by the surface tension and pool width. The input parameters such as arc pressure and current have negligible effects on the oscillation frequency, and the surface tension gradient has limited effects. Since the oscillation frequency varies slightly according to penetration, pool oscillation for the partial penetration weld pool is applicable to monitor the pool width.
This paper presents the results of experiments involving external forced convection on boiling heat transfer from electrically heated horizontal tube to water in cross flow. In these experiments, all of the following primary variables were varied: heat flux, cross flow velocity, pressure and degree of subcooling. Local surface temperatures were measured at nine peripheral positions. Surface temperature distributions are classified into four groups as a function of heat flux. The characteristics of the boiling curve at different velocity, degree of subcooling and pressure are examined.
A simultaneous measurement of the wall skin friction and near-wall streamwise velocity fluctuations is performed using hot film and hot wire anemometers to investigate the relation between them. Near-wall turbulence statistics measured with a hot-wire probe are in good agreement with previous results. Turbulence properties of the wall skin friction fluctuations measured with a hot film also show fairly good agreements with those measured by others except that rms level is lower in the present study. Long-time averaged space- time correlations show that the wall skin friction is highly correlated with a turbulence structure which is tilted from the wall in the streamwise direction. Tilting angles are obtained from the phase shifts between the wall skin-friction and streamwise velocity fluctuations. The convection velocity of the near-wall streamwise velocity obtained from the space-time correlation is in good agreement with that from the direct numerical simulation database.
A hybrid particle-mesh method based on the vorticity-velocity formulation for solving the incompressible Navier-Stokes equations is a combination of the Vortex-In-Cell(VIC) method for convection and the penalization method for diffusion. The key feature of the numerical methods is to determine velocity and vorticity fields around a solid body on a temporary grid, and then the time evolution of the flow is computed by tracing the convection of each vortex element using the Lagrangian approach. Assuming that the vorticity and velocity fields are to be computed in time domain analysis, pressure fields are estimated through a complete set of solutions at present time step. It is possible to obtain vorticity and velocity fields prior to any pressure calculation since the pressure term is eliminated in the vorticity-velocity formulation. Therefore, pressure field is explicitly treated by solving a suitable Poisson equation. In this paper, we propose a simple way to numerically implement the vorticity-velocity-pressure formulation including a penalty term. For validation of the proposed numerical scheme, we illustrate the early development of viscous flows around an impulsive started circular cylinder for Reynolds number of 9500.
The non-staggered(collocated) grid approach in which all the solution variables are located at the centers of control volumes is very popular for incompressible flow analyses because of its numerical efficiency on the curvilinear or unstructured grids. Rhie and Chow's paper is the first in using non-staggered grid method for SIMPLE algorithm, where pressure weighted interpolation was used to prevent decoupling of pressure and velocity. But it has been known that this non-staggered grid method has stability problems when pressure fields are nonlinear like in natural convection flows. Also Rhie-Chow scheme generates large numerical diffusion near curved walls. The cause of these unwanted problems is too large pressure damping term compared to the magnitude of face velocity. In this study the magnitude of pressure damping term of Rhie-Chow's method is limited to 1∼10% of face velocity to prevent physically unreasonable solutions. The wall pressure extrapolation which is necessary for cell-centered FVM is another source of numerical errors. Some methods are applied in a unstructured FV solver and analyzed in view of numerical accuracy. Here, two natural convection problems are solved to check the effect of the Rhie-Chow's method on numerical stability. And numerical diffusion from Rhie-Chow's method is studied by solving the inviscid flow around a circular cylinder.
Experiments are performed to study the mixed convection flow and heat transfer in an inclined parallel plates with the upper part cooled and the lower part heated uniformly. The Reynolds number ranges from $4.0{\times}10^{-3}\;to\;6.2{\times}10^{-2}$, the angle of inclination, ${\theta}$, from 0 to 45 degree from the horizontal line, and Pr of the high viscosity fluid is 909. In this paper, the PIV(Particle image velocimetry) with TLC(Thermo-sensitive liquid crystal) tracers is used for visualizing and analysis. This method allows simultaneous measurement of velocity and temperature field at a given instant of time. Quantitative data of the temperature and velocity are obtained by applying the color-image processing to a visualized image, and neural network is applied to the color-to-temperature calibration. This paper describes the methods, and presents the quantitative visualization of mixed convection. From this study, it is found that the flow pattern can be classified into three patterns which are affected by Reynolds number and the angle of inclination.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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