This study investigates the transition of flows in a natural convection problem with periodic wall temperatures of the form, T/sub L/=T₁+δ Tsinκχ and T/sub L/=T₂+δ Tsinκχ .The fluid considered is air with P/sub γ/=0.7. In the conduction-dominated regime with a small Rayleigh number, two large cells are formed over one wave length, for all wave numbers. When k≤1.8, the flow becomes unstable with increase of the Rayleigh number, and multicellular convection occurs above a critical Rayleigh number. The flow patterns are classified by the number of eddies over one wave length, and several kinds of transition phenomena, such as 2→3→4, 4→3→2, and 2→4 eddy flow, occur with increase( or decrease) of the Rayleigh number. Dual solutions are found above a critical Rayleigh number, and an anomalous bifurcation is observed.
A Rayleigh-Benard problem with non-uniform wall temperatures of the form, $T_L=T_1+{\delta}{\Delta}T{\sin}kx$ and $T_U=T_2-{\delta}{\Delta}{\sin (kx)$, is numerically investigated. In the conduction-dominated regime with small a Rayleigh number, a two-tier structure appears with two counter-rotating rolls stacked on the top of each other. The flow becomes unstable with increase of the Rayleigh number, and multicellular convection occurs above a critical Rayleigh number. The multicellular flows at high Rayleigh numbers consist of approximetely square-shape cells. Four multiple flows and dual flows classified by the number of cells are found at k=0.5 and k=1, respectively.
Dual solutions for steady natural convection of air between two horizontal concentric cylinders are numerically investigated in the range of $D_i$/TEX>/L(=diameter of inner cylinder/gap width)$\leq$10. It is found that, when the Rayleigh number based on the gap width exceeds a certain critical value, a new flow pattern forming two counter-rotating eddies in the half of the annulus can be realized, which is different from the crescent-shaped flow commonly observed. In the new flow pattern, the fluid near the top of the hot inner cylinder moves downward. This solution is found for D$_{i}$/L.geq.0.3, but not for$D_i$/TEX>/L$\leq$0.2. As $D_i$/TEX>/L increase, the critical Rayleigh number is decreased, and tends to a finite limit.t.
두 벽면이 서로 다른 평균 온도와 일정한 위상 차이 하에서 작은 파동수의 정현적인 온도 분포를 갖는 시스템에서의 자연 대류를 조사한다. 벽면 온도 분포의 파동수 k=0.5이고 위상차는 ㄱ/2 이며, 고려하는 유체는 Pr =0.7인 공기이다. 작은 Rayleigh 수의 전도 영역에서는 한 주기에 걸쳐 약간 기울어진 형태의 두 개의 큰 셀이 형성된다. 그러나 Rayleigh 수가 증가하면 열적으로 불안정한 영역에서 여러 개의 셀이 형성되는 다수 셀 유동이 일어난다. 다수 셀 영역에서 과도기적인 기간에서는 일시적으로 공간적인 점대칭성이 깨어지기도 하지만 정상 상태의 유동장은 언제나 대칭성을 만족한다. 유동 형태의 천이가 일어나는 임계 Rayleigh 수 부근에서는 Nusselt 수가 급격하게 증가한다.
2성분 응고계에서 다공성 mush 층에서의 조성 대류는 생성되는 제품의 질에 영향을 준다. 본 연구에서는 일정한 속도로 응고되는 mush 층을 고려하였다. 선형 안정성 이론을 사용하여 mush 층에 대한 교란방정식을 유도하였고, 기본상태 온도장과 mush 층에서 기공률의 분포를 수치해법으로 조사하였다. 과열량이 클 때 mush 층의 두께는 열경계층의 두께에 비해 상대적으로 작았다. 과열량이 감소함에 따라 mush 층의 두께를 기준으로 한 Rayleigh 수는 증가하였고, mush 층은 조성 대류에 대해 안정해졌다. mush 층의 윗면에 등온조건을 적용한 경우보다 온도 및 열속의 연속조건을 액체-mush 계면에 적용한 경우에 임계 Rayleigh 수가 더 작게 얻어졌다.
The onset of buoyancy-driven convection in an initially isothermal and quiescent horizontal fluid layer was analyzed theoretically. It is well-known that at the critical Rayleigh number $Ra_c=669$ convective motion sets in with a constant-heat-flux cooling through the upper boundary. Here, based on the momentary instability concept, the dimensionless critical time ${\tau}_m$ to mark the onset of convective motion for Ra > 669 was analyzed theoretically. The energy method under the momentary stability concept was used to find the critical conditions as a function of the Rayleigh number Ra and the Prandtl number Pr. The predicted critical conditions were compared with the previous theoretical and experimental results. The momentary stability criterion gives more reasonable wavenumber than the conventional energy method.
Multiple solutions in natural convection of water with Pr=7 between two horizontal plates with small magnitude non-uniform temperature distribution in the upper plate is numerically investigated. The dimensionless temperature of upper plate is ${\theta}={\epsilon}sinkx$. Two upright cells are formed over one wave length in the conduction-dominated regime of small Rayleigh number. However, multicellular convection occurs above a critical Rayleigh number for small wave number. When k = 1.5, dual solutions are found and a transition of $6{\rightarrow}4$ eddy flow occurs with decrease of Rayleigh number. When k = 0.75, two, three, four and five multiple solutions are observed. Transitions of $14{\rightarrow}12$, $12{\rightarrow}10$, $10{\rightarrow}8$ and $6{\rightarrow}8$ eddy flow occur with decrease of Rayleigh number.
Multiple solutions in natural convection of air (Pr=0.7) between two horizontal walls with mean temperature difference and the same periodic nob-uniformities are investigated. An analytical solution is found for small Rayleigh number, and the general solution is investigated by using a numerical method. In the conduction-dominated regime, two upright cells are formed between two walls over one wave length. When the wave number is small, the flow becomes unstable with increase of the Rayleigh number, and multicellular convection occurs above a critical Rayleigh number. The multicellular flows at high Rayleigh numbers consist of approximately square-shape cells. And several kinds of multiple flows classified by the number of cells are found.
이성분 용융액의 시간의존형 응고계에서 mush 층의 대류발생을 선형 안정성 이론으로 해석하였다. 본 연구에서는 근공융물 mush 층을 다공성 블록으로 가정한 단순화된 모델에 전파이론을 적용하여 대류발생 임계조건을 구하였다. 본 연구 모델에서는 기존의 실험결과 및 mush층 위의 액체층을 포함하여 고려한 이론적 연구의 결과보다 더 높은 임계 Rayleigh 수가 얻어졌다. mush 층의 윗 경계면에 일정압력(투과)조건을 적용하는 경우가 비투과조건에 비해 임계 Rayleigh 수를 더 작게 하며 염화암모늄 수용액의 응고실험결과와 더 근접한 것으로 조사되었다.
Natural convection of a fluid with the Prandtl number of 7(water) in a horizontal annulus with constant temperature walls is numerically investigated. The inner cylinder is hotter than the outer cylinder. The flows are classified by the number of eddies in a half annulus. It is found that dual or triple solutions exists above a critical Rayleigh number for an annulus with a aspect ratio $D_i/L=4$. Transitions of $3{\rightarrow}1$ and $2{\rightarrow}1$ eddy flow occur with decrease of Rayleigh number. However, reverse transitions of $1{\rightarrow}3$ and $1{\rightarrow}2$ eddy flow do not occur with increase of Rayleigh number, and no hysteresis phenomenon is observed. In the regime of triple solutions, the 3 eddy flow has the largest mean Nusselt number value and the 1 eddy flow has the smallest value.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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