A numerical study of a natural convection in a rectangular cavity with the low-Reynolds-number differential stress and flux model is presented. The primary emphasis of the study is placed on the investigation of the accuracy and numerical stability of the low-Reynolds-number differential stress and flux model for a natural convection problem. The turbulence model considered in the study is that developed by Peeters and Henkes (1992) and further refined by Dol and Hanjalic (2001), and this model is applied to the prediction of a natural convection in a rectangular cavity together with the two-layer model, the shear stress transport model and the time-scale bound ν$^2$- f model, all with an algebraic heat flux model. The computed results are compared with the experimental data commonly used for the validation of the turbulence models. It is shown that the low-Reynolds-number differential stress and flux model predicts well the mean velocity and temperature, the vertical velocity fluctuation, the Reynolds shear stress, the horizontal turbulent heat flux, the local Nusselt number and the wall shear stress, but slightly under-predicts the vertical turbulent heat flux. The performance of the ν$^2$- f model is comparable to that of the low-Reynolds-number differential stress and flux model except for the over-prediction of the horizontal turbulent heat flux. The two-layer model predicts poorly the mean vertical velocity component and under-predicts the wall shear stress and the local Nusselt number. The shear stress transport model predicts well the mean velocity, but the general performance of the shear stress transport model is nearly the same as that of the two-layer model, under-predicting the local Nusselt number and the turbulent quantities.
Evaluation of turbulence models is performed for a better prediction of thermal stratification in an upper plenum of a liquid metal reactor by applying them to the experiment conducted at JNC. The turbulence models tested in the present study are the two-layer model, the $\kappa-\omega$ model, the v2-f model and the low-Reynolds number differential stress-flux model. When the algebraic flux model or differential flux model are used for treating the turbulent heat flux, there exist little differences between turbulence models in predicting the temporal variation of temperature. However, the v2-f model and the low-Reynolds number differential stress-flux model better predict the steep gradient o( temperature at the interface of thermal stratification, and only the v2-f model predicts properly the oscillation of temperature. The LES Is needed for a better prediction of the amplitude and frequency of the temperature fluctuation.
In this paper a computation of turbulent natural convection in enclosures with the elliptic-blending based differential and algebraic flux models is presented. The primary emphasis of the study is placed on an investigation of accuracy of the treatment of turbulent heat fluxes with the elliptic-blending second-moment closure for the turbulent natural convection flows. The turbulent heat fluxes in this study are treated by the elliptic-blending based algebraic and differential flux models. The previous turbulence model constants are adjusted to produce accurate solutions. The proposed models are applied to the prediction of turbulent natural convections in a 1:5 rectangular cavity and in a square cavity with conducting top and bottom walls, which are commonly used for validation of the turbulence models. The relative performance between the algebraic and differential flux model is examined through comparing with experimental data. It is shown that both the elliptic-blending based models predict well the mean velocity and temperature, thereby the wall shear stress and Nusselt number. It is also shown that the elliptic-blending based algebraic flux model produces solutions which are as accurate as those by the differential flux model.
A second moment turbulent closure for the turbulent heat flux near a wall is developed by modification of model constants in pressure interaction term as the variables of the turbulent Reynolds number using the universal properties of turbulent heat flux near the wall. The present model shows that model constant for the wall reflection term in pressure interaction is most important in modelling of the near wall heat flux. Fully developed pipe flows with constant wall heat flux are tested to validate the proposed model. In most of calculation region, the predicted turbulent properties agree better with the experimetal data than the results from standard algebraic heat flux model which use the uniform model constants.
A comparative study on the treatment of the turbulent heat flux with the elliptic mlending second moment closure for a natural convection is performed. Four cases of different treating the turbulent heat flux are considered. Those are the generalized gradient diffusion hypothesis (GGDH) the algebraic flux model (AFM) and the differential heat flux model (DFM). These models are implemented in the computer code specially designed for evaluation of turbulent models. Calculations are performed for a turbulent natural convection in the 1:5 rectangular cavity and the calculated results are compared with the experimental data. The results show that three models produce nearly the same accuracy of solutions.
A comparative study on the treatment of the turbulent heat flux with the elliptic blending second-moment closure for a natural convection flow is performed. Three cases of different treating the turbulent heat flux are considered. Those are the generalized gradient diffusion hypothesis (GGDH), the algebraic flux model (AFM) and the differential flux model (DFM). The constants in the models are adjusted with a primary emphasis placed on the accuracy of predicting the local Nusselt number. These models are implemented in a computer code specially designed for evaluation of turbulent models. Calculations are performed for a turbulent natural convection in the 1:5 rectangular cavity and the calculated results are compared with the available experimental data. The results show that the three models produce nearly the same accuracy of solutions. These results show that the GGDH, AFM and DFM models for treating the turbulent heat flux are sufficient for this simple shear flow where the shear production is dominant. It is observed that, in the weakly stratified region at the center zone of the cavity, the vertical velocity fluctuation is nearly zero in the GGDH solutions, which shows that the GGDH model may not be suitable for the strongly stratified flow. Thus, further study on the strongly stratified flow should be followed.
A mathematical model for the pyrolysis processes during unforced smoldering of cigarette was proposed in this study by analyzing the physical model of the smoldering cigarette (including the establishment of burning front between burning zone and pyrolysis zone, and analyzing the involvement of main factors such as pyrolysis of virgin tobacco, evaporation of water, and internal heat transport in the processes). Thermal conduction of cigarette paper and convective and radiative heat transfer at the outer surface were also considered via the thermal resistance law for the competitive heat transfer mechanisms. The governing partial differential equations were solved using an integral method. Model predictions of smoldering speed, or linear burn rate, as well as temperature and density profiles in the pyrolysis zone for different kinds of cigarettes were found to be close to the experimental data in the literature (Muramatsu, 1981). The model provides a relatively fast and efficient way to simulate the pyrolysis processes and offers a practical tool for exploring important parameters for a smoldering cigarette, such as blended tobacco composition, properties of cigarette paper, and heat flux from the burning zone to the pyrolysis zone.
A new second-moment closure model for turbulent heat fluxes is proposed on the basis of the elliptic equation. The new model satisfies the near-wall balance between viscous diffusion, viscous dissipation and temperature-pressure gradient correlation, and also has the characteristics of approaching its respective conventional high Reynolds number model far away from the wall. The predictions of turbulent heat transfer in a channel flow have been carried out with constant wall heat flux and constant wall temperature difference boundary conditions respectively. The velocity field variables are supplied from the DNS data and the differential equations only fur the mean temperature and the scalar flux are solved by the present calculations. The present model is tested by direct comparisons with the DNS to validate the performance of the model predictions. The prediction results show that the behavior of the turbulent heat fluxes in the whole region is well captured by the present model.
A computational study on a strongly stratified natural convection is performed with the elliptic blending second-moment closure. The turbulent heat flux is treated by both the algebraic flux model (AFM) and the differential flux model (DFM). Calculations are performed for a turbulent natural convection in a square cavity with conducting top and bottom walls and the calculated results are compared with the available experimental data. The results show that both the AFM and DFM models produce very accurate solutions with the elliptic-blending second-moment closure without invoking any numerical stability problems. These results show that the AFM and DFM models for treating the turbulent heat flux are sufficient for this strongly stratified flow. However, a slight difference between two models is observed for some variables.
We consider the problem y"=a(x,y)(y-b), y(0)=0, y'(1)=g(y(${\xi}$), y'(${\xi}$)), (0${\xi}$ fixed in(0,1)) as a model of steady-slate heat conduction in a rod when the heat flux at the end x = 1 is determined by observation of the temperature and heat flux at some interior point ${\xi}$. We establish conditions sufficient for existence, uniqueness.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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