This paper reports briefly on the computational results of a turbulent Rayleigh-Benard convection with the elliptic-blending second-moment closure (EBM). The primary emphasis of the study is placed on an investigation of accuracy and numerical stability of the elliptic-blending second-moment closure for the turbulent Rayleigh-Benard convection. The turbulent heat fluxes in this study are treated by the algebraic flux model with the temperature variance and molecular dissipation rate of turbulent heat flux. The model is applied to the prediction of the turbulent Rayleigh-Benard convection for Rayleigh numbers ranging from Ra=$2{\times}10^6$ to Ra=$10^9$ and the computed results are compared with the previous experimental correlations, T-RANS and LES results. The predicted cell-averaged Nusselt number follows the correlation by Peng et al.(2006) (Nu=$0.162Ra^{0.286}$) in the 'soft' convective turbulence region ($2{\times}10^6{\leq}Ra{\leq}4{\times}10^7$) and it follows the experimental correlation by Niemela et al. (2000) (N=$0.124Ra^{0.309}$) in the 'hard' convective turbulence region ($10^8{\leq}Ra{\leq}10^9$) within 5% accuracy. This results show that the elliptic-blending second-moment closure with an algebraic flux model predicts very accurately the Rayleigh-Benard convection.
This paper reports briefly on the computational results of a turbulent Rayleigh-Benard convection with the elliptic-blending second-moment closure (EBM). The primary emphasis of the study is placed on an investigation of accuracy and numerical stability of the elliptic-blending second-moment closure for the turbulent Rayleigh-Benard convection. The turbulent heat fluxes in this study are treated by the algebraic flux model with the temperature variance and molecular dissipation rate of turbulent heat flux. The model is applied to the prediction of the turbulent Rayleigh-Benard convection for Rayleigh numbers ranging from $Ra=2{\times}10^6$ to $Ra=10^9$, and the computed results are compared with the previous experimental correlations, T-RANS and LES results. The predicted cell-averaged Nusselt number follows the correlation by Peng et al.(2006) ($Nu=0.162Ra^{0.286}$) in the 'soft' convective turbulence region ($2{\times}10^6{\leq}Ra{\leq}4{\times}10^7$) and it follows the experimental correlation by Niemela et al. (2000) ($Nu=0.124Ra^{0.309}$) in the 'hard' convective tubulence region ($10^8{\leq}Ra{\leq}10^9$) within 5% accuracy. This results show that the elliptic-blending second-moment closure with an algebraic flux model predicts very accurately the Rayleigh Benard convection.
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.
Rayleigh-Benard natural convection experiments were carried out as the preliminary experiment to simulate the natural convection of the core melt at the severe accident conditions. This work focused on the influences of plate separation distance(s), the existence of the side walls and crust geometries of upper and lower plates. Based upon the analogy concept, a cupric acid-copper sulfate electroplating system($H_2SO_4-CuSO_4$) was employed as the mass transfer system and measurements were made for $Ra_s$ ranging from $1.06{\times}10^7$ to $2.91{\times}10^{10}$. The test results measured for a single horizontal plate were in good agreement with the correlation reported by McAdams and those for two horizontal plates showed the similar trend to the existing Rayleigh-Benard heat transfer correlations developed by Dropkin and Somerscales, Globe and Dropkin. The measured heat transfer rate decreased with the increasing separation distance between the two plates and became similar to those for a single horizontal plate. Fin arrays mounted on both upper and lower plates enhanced the heat transfer rates. For all cases, the heat transfer rates measured for open side walls are higher than those for closed ones.
Rayleigh-Benard-Marangoni (RBM) convection have been artificially made for application of various engineering fields. For a relatively larger circular container, natural convection experiments were carried out to reveal and show the flow characteristics with engine oil (SAE30) using IR camera. IR camera has captured the temperature distribution on the free surface. From these experiments, it was confirmed that it was possible to quantitatively analyze the occurrence characteristics of RBM flow clearly from the thermal images taken with IR camera. As the aspect ratio increased, both the number of internal and external cavities increased. And found that the criteria of RBM flow generation proposed through previous experiments performed for small-sized containers are also very effective with the results on larger circular container.
Direct numerical solution for flow and heat transfer for Benard convection with a body is obtained using an accurate and efficient Fourier-Chebyshev collocation and multi-domain method. The flow and temperature fields are obtained fur different Rayleigh numbers and thermal boundary conditions of body. The body has adiabatic and constant temperature conditions. The existence of a body gives different flow and heat transfer fields in the system, compared to pure Benard convection. The flow and temperature fields are also affected by the thermal boundary condition of a body.
Focusing effect of a metallic layer in a severe accident depending on the aspect ratios and cooling conditions of top plate and side wall was investigated. Experiments were carried out for Rayleigh numbers and aspect ratio in the range of $8.49{\times}10^7{\sim}5.43{\times}10^9$, 0.135~0.541 respectively. In order to achieve high Rayleigh numbers, the heat transfer experiments were replaced by mass transfer experiments based on the heat and mass transfer analogy. A sulfuric acid-copper sulfate ($H_2SO4-CuSO_4$) electroplating system was adopted as the mass transfer system. The experimental results agreed well with the Rayleigh-Benard natural convection correlations of Dropkin and Somerscales and Globe and Dropkin. When compared with the standard Rayleigh-Benard problem, the cooling by the side wall is even higher than the top. For a shorter height, the interaction between the heated and cooled plumes increases due to decrease of the height. Thus, the heat transfer increases.
Numerical calculations are carried out for the natural convection induced by temperature difference between a cold outer square cylinder and a hot inner circular cylinder for Rayleigh number of $Ra=10^7$. This study investigates the effect of the inner cylinder location on the heat transfer and fluid flow. The location of inner circular cylinder ($\delta$) is changed vertically along the center-line of square enclosure. The natural convection bifurcates from unsteady to steady state according to $\delta$. Two critical positions of ${\delta}_{C,L}$ and ${\delta}_{C,U}$ as a lower bound and an upper bound are ${\delta}_{C,L}=0.05$ and ${\delta}_{C,U}=0.18$, respectively. Within the defined bounds, the thermal and flow fields are steady state. When the inner cylinder locates at ${\delta}{\geq}{\delta}_{C,U}$, the space between the upper surface of inner cylinder and the top surface of the enclosure forms a relatively shallow layer where the natural convection characterized as the pure Rayleigh-Benard convection forms alternately the upwelling and downwelling plums, as a result that a series of cells known as Benard cells is derived.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.20
no.6
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pp.2046-2056
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1996
The constrained melting inside an isothermally heated horizontal cylinder has been repeatedly investigated in many studies only for the moderate Rayleigh numbers. This study extends the range of Rayleigh numbers to systematically investigate the transition during melting processes, especially focusing on the complex multi-cellular flow pattern and thermal instability. The enthalpy-porosity formulation, with appropriate source terms to account for the phase change, is employed. For low Rayleigh numbers, initially developed single-cell base flow keeps the flow stable. For moderate Rayleigh numbers, even small disturbances in balance between thermal buoyance force and viscous force result in branched flow structure. For high Rayleight numbers, Benard type convection is found to develop within a narrow gap between thee wall and the unmelted solid. The marginal Rayleigh number and the corresponding wave number are in excellent agreement with those from linear stability theory.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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