In devising a numerical approximation for the convective spatial transport of a fluid mechanical quantity, it is noted that the convective motion of a scalar quantity occurs in one-way, or from upstream to downstream. This consideration leads to a new scheme termed a pure upwind difference scheme (PUDS) in which an estimated value for a fluid mechanical quantity at a control surface is not influenced from downstream values. The formal accuracy of the proposed scheme is third order accurate. Two typical benchmark problems of a wall-driven fluid flow in a square cavity and a buoyancy-driven natural convection in a tall cavity are computed to evaluate performance of the proposed method. for comparison, the widely used simple upwind scheme, power-law scheme, and QUICK methods are also considered. Computation results are encouraging: the proposed PUDS sensitized to the convection direction produces the least numerical diffusion among tested convection schemes, and, notable improvements in representing recirculation of fluid stream and spatial change of a scalar. Although the formal accuracy of PUDS and QUICK are the same, the accuracy difference of approximately a single order is observed from the revealed results.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.5
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pp.1322-1329
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1994
The effect of thermal stratification on the stratified flow past a circular cylinder was examined in a wind tunnel. Turbulent intensities, the rms values of temperature and turbulent convective heat flux as well as the velocity and temperature profiles in the cylinder wake with a strong thermal gradient of $200^{\circ}C/m$ were measured by using a hot-wire and cold-wire combination probe. It is found that the temperature field affects as an active contaminant, so that the vertical growth of vortical structure is suppressed and the strouhal number decreases with increasing the extent of stratification. And also, the wake structure can not sustain their symmetricity about the wake centerline and vertical turbulent motion dissipates faster than that of the neutral case when such a strong thermal gradient is superimposed. It is evident that the turbulent mixing in the upper half section is stronger than that of the lower of the wake in a stably stratified flow because the turbulent intensities and convective heat flux in the upper half section are larger than those of the lower half of the wake.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.25
no.2
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pp.164-170
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2001
The influence of unsteady wake on the flow and heat transfer characteristics in a four-vane linear cascade was experimentally investigated. The unsteady wake was generated with four rotating rectangular plates located upstream of the cascade. Tested inlet Reynolds number based on chord length was set to 66,000 by controlling free-stream velocity. A hot-wire anemometer system was employed to measure turbulent velocity components. For the convective heat transfer coefficients measurement on turbine blade surface, thermochromic liquid crystal and gold film Intrex were used. It was found that the unsteady wake enhances the turbulent motion in the cascade passage and accordingly promotes the development and transition of boundary layer. It was found that the heat transfer coefficients on the blade surface increase as the plate rotating speed increases. However, the increasing of heat transfer coefficients is not significant in the case that Strouhal number is higher than 0.503.
A nanofluid is a mixture of solid nanoparticles and a common base fluid. Nanofluids have shown great potential in improving the heat transfer properties of liquids. However, previous studies on the characteristics of nanofluids did not adequately explain the enhancement of heat transfer. This study examined the distribution of particles in a fluid and compared the mechanism for the enhancement of heat transfer in a nanofluid with that in a general microparticle suspension. A theoretical model was formulated with shear-induced particle migration, viscosity-induced particle migration, particle migration by Brownian motion, as well as the inertial migration of particles. The results of the simulation showed that there was no significant particle migration, with no change in particle concentration in the radial direction. A uniform particle concentration is very important in the heat transfer of a nanofluid. As the particle concentration and effective thermal conductivity at the wall region is lower than that of the bulk fluid, due to particle migration to the center of a microfluid, the addition of microparticles in a fluid does not affect the heat transfer properties of that fluid. However, in a nanofluid, particle migration to the center occurs quite slowly, and the particle migration flux is very small. Therefore, the effective thermal conductivity at the wall region increases with increasing addition of nanoparticles. This may be one reason why a nanofluid shows a good convective heat transfer performance.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.23
no.7
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pp.864-870
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1999
An experimental study Is conducted in a four-vane linear cascade in order to examine the influence of the wake behind rectangular bars on the flow and heat transfer characteristics. Flow and heat transfer measurements are made for the inlet Reynolds number of 66000(based on chord length and free-stream velocity). Turbulent intensity and stress are measured using a hot-wire anemometer, and to measure the convective heat transfer coefficients on the blade surface liquid crystal/gold film Intrex technique is used. Each of experimental cases is characterized by the unsteadiness measured at the entrance of the cascade. The wake behind the rectangular bars enhances the turbulent motion of the flow in the cascade passage. It also promotes the boundary layer development and transition. The results show that heat transfer coefficients on the blade surface increase with increasing unsteadiness.
A median-density fluid was injected into the upper layer of a two-layered fluid in a rotating cylindrical container. Several sets of the top and bottom boundary configurations were employed and the flow pattern of each layer including the injected fluid was observed to determine the factors that affect the path of the injected intermediate fluid. The axisymmetric path of the intermediate fluid when the upper layer had a free surface, changed into the asymmetric path with bulged-shape radial spreading whenever either the upper layer or the lower layer had ${\beta}$-effect. The internal Fronds number that controls the shape of the interface turned out to be the most important parameter that determines the radial spreading in terms of location and strength. When the upper and lower layer had the ${\beta}$-effect, convective overturning produced anticyclonic vortices at the frontal edge of the intermediate fluid, and that could enhance the vertical mixing of different density fluids. The intermediate fluid did not produce any topographic effect on the upper-layer motion during its spreading over the interface, since its thickness was very small. However, its anticyclonic motion within the bulged-shape produced a cyclonic motion in the lower layer just beneath the bulge.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.21
no.3
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pp.392-404
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1997
The flow induced by the oscillatory motion of a solid body is important in a number of practical problems. As the solid boundary oscillates harmonically, there is steady streaming motion invoked by the Reynolds stresses, which could cause extensive migration of the fluid during a period of fluid motion. We here analyzed the flow in a square cavity with an oscillating top wall for the parameters which make the time derivatives and the convective terms equally important in the entire cavity flow. The full Navier-Stokes equations are solved by the second-order time accurate Momentum Coupling Method which is devised by the authors. The particular numerical scheme does not need subiteration at each time step which is usually a required process to calculate the incompressible Navier-Stokes equations. The effect of two parameters, the Reynolds number and the frequency parameter, on the oscillatory flow has been investigated.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.16
no.10
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pp.1963-1970
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1992
An oscillatory motion of the natural convection in a two dimensional, partially divided square enclosure heated from below, and fitted with a partition is investigated numerically. The enclosure was composed of the lower hot and the upper cold horizontal walls and the adiabatic vertical walls, and a partition was situated perpendicularly at the mid-height of the one vertical insulated wall. The governing equations are solved by using the finite element method with Galerkin method. The computations were performed with the variation of the length and the thermal conductivity of the partition, and Rayleigh number based on the temperature difference between horizontal walls and the enclosure height with water(Pr=4.95). also, the effect of the inclination angles was studied for the transition to the oscillating flow. As the results, it was found that the intensity and frequency of oscillatory motion were affected significantly by the Rayleigh number and the length of partition. The effect of oscillatory motion was weaken with the increase of the thermal conductivity of partition. The inclination angle for the transition was raised with the increase of Rayleigh number and the length of partition.
Of concern in the present theoretical investigation is the study of blood flow and convection-dominated diffusion processes in a model bifurcated artery under stenotic conditions. The geometry of the bifurcated arterial segment having constrictions in both the parent and its daughter arterial lumen frequently appearing in the diseased arteries causing malfunction of the cardiovascular system, is constructed mathematically with the introduction of suitable curvatures at the lateral junction and the flow divider. The streaming blood contained in the bifurcated artery is treated to be Newtonian. The flow dynamical analysis applies the two-dimensional unsteady incompressible nonlinear Wavier-Stokes equations for Newtonian fluid while the mass transport phenomenon is governed by the convection diffusion equation. The motion of the arterial wall and its effect on local fluid mechanics is, however, not ruled out from the present model. The main objective of this study is to demonstrate the effects of constricted flow characteristics and the wall motion on the wall shear stress, the concentration profile and on the mass transfer. The ultimate numerical solutions of the coupled flow and diffusion processes following a radial coordinate transformation are based on an appropriate finite difference technique which attain appreciable stability in both the flow phenomena and the convection-dominated diffusion processes.
Sunspots' subsurface structure is an important subject to explain their stability and energy transport. Previous studies suggested two models for the subsurface structure of sunspots: monolithic model and cluster model. However, it is not revealed which model is more plausible so far. We obtain clues about the subsurface structure of sunspots by analyzing the motion of umbral flashes observed by the IRIS Mg II 2796Å slit-jaw images (SJI). The umbral flashes are believed as shock phenomena developed from upward propagating slow magnetohydrodynamic (MHD) waves. If the MHD waves are generated by convective motion below sunspots, the apparent origin of the umbral flashes known as oscillation center will indicate the horizontal position of convection cells. Thus, the distribution of the oscillation centers is useful to investigate the subsurface structure of sunspots. We analyze the spatial distribution of oscillation centers in the merged sunspot. As a result, we found that the oscillation centers distributed over the whole umbra regardless of the convergent interface between two merged sunspots. It implies that the subsurface structure of the sunspot is not much different from the convergent interface, and supports that many field-free gaps may exist below the umbra as the cluster model expected. For more concrete results, we should confirm that the oscillation centers determined by the umbral flashes accurately reflect the position of wave sources.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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