An accurate determination of turbulent fluxes over an urban area is a challenging task due to its morphological diversity and associated flow complexity. In this study, an eddy covariance (EC) method is applied over a highly heterogeneous urban area in a small city (Gongju), South Korea to investigate the quantitative influence of 'coordinate tilt' in determining the turbulent fluxes of sensible heat, latent heat, momentum, and carbon dioxide mass. Two widely-used coordinate transform methods are adopted and applied to eight directional sections centered on the site to analyze a 1-year period EC measurement obtained from the urban site: double rotation (DR) and planar fit (PF) transform. The results show that mean streamline planes determined by the PF method are distinguished from the sections, representing morphological heterogeneity of the site. The sectional pitch angles determined by the DR method also compare well with those in the PF method. Both the PF and DR methods show large variabilities in the determined streamline planes at each directional section, implying that flow patterns may form in a complicate way due to the surface heterogeneity. Resulting relative differences of the turbulent fluxes, defined by $(F_{DR}-F_{PF})/F_{DR}$, are found on average +13% in sensible heat flux, +21% in latent heat flux, +37% in momentum flux, and +26% in carbon dioxide mass flux, which are larger values than those reported previously for fairly homogeneous natural sites. The fractional differences depend significantly on wind direction, showing larger differences in northerly winds at the measurement site. It is also found that the relative fractional differences are negatively correlated with the mean wind speed at both stable/unstable atmospheric conditions. These results imply that EC turbulent fluxes determined over heterogeneous urban areas should be carefully interpreted with considering the uncertainty due to 'coordinate tilt' effect in their applications.
A direct numerical simulation is performed for turbulent heat transfer in a concentric annulus at $Re_{Dh}=8900\;and\;Pr=0.71$ for two radius ratios ($R_{1}/R_{2}=0.1\;and\;0.5$) and $q^{\ast}=1.0$. Main emphasis is placed on the transverse curvature effect on near-wall turbulent thermal structures. Near-wall turbulent structures close to the inner and outer walls are scrutinized by computing the lower-order statistics. The fluctuating temperature variance and turbulent heat flux budgets are illustrated to confirm the results of the lower-order statistics. The present numerical results show that the turbulent structures near the outer wall are more activated than those near the inner wall, which may be attributed to the different vortex regeneration processes between the inner and outer walls.
The momentum flux and the sensible heat flux were measured with the scintillometers and ultrasonic anemometers at 6 sites of which surface characteristics like roughness length and zero-displacement are different each other. We estimated the momentum flux and the sensible heat flux based on the bulk transfer method with the drag coefficient and the heat transfer coefficient calculated from the temperature and wind speed at two heights. The variation of bulk transfer coefficients showed a remarkable difference depending on the atmospheric stability which is less influenced by the zero-displacement than the roughness length. The estimated sensible heat fluxes were in good agreement with those measured at 3 m, showing 23.7 $Wm^{-2}$ of the root mean square error that is less than 10% of its maximum. Since the estimated momentum flux is not only effected by drag coefficient but also by wind speed square, the determination of wind speed in the bulk transfer method is critical.
de Oliveira Junior, Jose Francisco;Kwon, Byung-Hyuk
Journal of the Korean earth science society
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v.25
no.2
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pp.87-93
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2004
To study the effect of cloud on the variabilities of turbulent fluxes over the flat terrain, we used the gradient method to analyze the dynamic and thermodynamic data from the meteorological 9-m mast (0.75, 3 and 9 m) in Villafria airport in Spain. The decrease of the surface wind speed is governed by cooling at the surface following the evening transition. The sensible heat flux and the momentum flux are increased with the dynamic factor rather than the thermodynamic factor, and the sensible heat flux was not affected by the thermal condition. The global radiation did not play an important role in the variation of the sensible heat flux in the cloudy day, but the atmospheric surface layer was characterized rather by the wind intensity.
The primary objective of the present study is evaluation of the k-ε-vv-f turbulence model for prediction of natural convection in a rectangular cavity. As a comparative study, the two-layer k-ε model is also considered. Both models, with and without algebraic heat flux model, are applied to the analysis of natural convection in a rectangular cavity. The performances of turbulence models are investigated through comparison with available experimental data. The predicted results of vertical velocity component, turbulent heat fluxes, turbulent shear stress, local Nusselt number and wall shear stress are compared with experimental data. It is shown that, among the turbulence models considered in the present study, the k-ε-vv-f model with an algebraic heat flux model predicts best the vertical mean velocity and velocity fluctuation, and the inclusion of algebraic heat flux model slightly improves the accuracy of results.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.13
no.3
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pp.528-537
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1989
The objective of this paper is to investigate effects of the specific heat and the diameter of suspending particles on the heat transfer coefficient of two phase turbulent flow with suspension of solid particles in a circular tube with constant heat flux. Heat transfer coefficients of two phase turbulent flow in pipe with suspension of graphite powder were measured with variations of particle sizes and solid-gas loading ratio. Measured data were compared with predictions by numerical analysis in which the turbulece models are closed on the first order level. Results show that heat transfer coefficient increases with increasing the solid-gas loading ratio and the specific heat of suspending material, however, it decreases as the average diameter of particles decreases below $24{\mu}m$.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.6
no.4
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pp.331-340
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1982
Numerical analysis is made on the turbulent heat transfer with suspension of solid particles in circular tube with constant heat flux. The mean motion of suspending particles in mixture is treated as the secondary gas flow with virtual density and viscosity. Our modeling of turbulent transport phenomena of suspension flow is based on this assumption and conventional mixing length theory. This paper gives the evidence that the mixing length models can be extended to close the governing equations for two phase turbulent flow with solid boundary at a first order level. Results on Nusselt numbers obtained by analytical treatments are compared with available experimental data and discussed. They suggest that the most important parameters of two phase turbulent heat transfer phenomena are relative particle diameter to pipe diameter, gas-solid loading ratio, and specific heat of suspending material.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.39
no.2
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pp.52-60
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2002
Line heating is a forming process which makes the curved surface with the residual strain created by applying heat source of high temperature to steel plate. in order to control the residual strain, it is necessary to understand not only conductive heat transfer between heat source and steel plate, but also temperature distribution of steel plate. In this paper we attempted to analyze is temperature distribution of steel plate by simplifying a line heating process to collision-effusive flux of high temperature and high velocity, and conductive heat transfer phenomenon. To analyze this, combustion in the torch is simplified to collision effusive phenomenon before analyzing turbulent heat flux. The distribution of temperature field between the torch and steel plate is computed through turbulent heat flux analysis, and the convective heat transfer coefficient between effusive flux and steel plate is calculated using approximate empirical Nusselt formula. The velocity of heat flux into steel plate is computed using the temperature distribution and convective heat transfer coefficient, and temperature field in the steel plate is obtained through conductive heat transfer analysis in which the traction is induced by velocity of heat flux. In this study, Finite Element Method is used to accomplish turbulent heat flux analysis and conductive heat transfer analysis. FEA results are compared with empirical data to verify results.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.20
no.1
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pp.1-12
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1996
The fully developed tubulent momentum and heat transfer induced by the square- ribbed roughness elements on both the inner and outer wall surfaces in the concentric annuli are studied analytically based on a modified turbulence model. Heat transfer coefficients for two conditions, i.e, a) inner wall heated as constant heat flux and outer wall insulated b) inner wall insulated and outer wall heated as constant heat flux, are investigated. The analytical results of the fluid flow are verified by experiment. The experiment is done with a pitot tube and a X-type hot wire anemometer to measure the time mean velocity profiles, zero shear stress positions, maximum velocity profiles and friction factors, and etc. The resulting momentum and heat transfer are discussed in terms of various parameters, such as the radius ratio, the relative roughness, the roughness density, Nusselt number and Prandtl number.
Kwon, Tae Heon;Park, Moon-Soo;Yi, Chaeyeon;Choi, Young Jean
Atmosphere
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v.24
no.2
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pp.197-206
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2014
The effects of different averaging operators and atmospheric stability on the turbulent fluxes are investigated using the vertical velocity, air temperature, carbon dioxide concentration, and absolute humidity data measured at 10 Hz by a 3-dimensional sonic anemometer and an open-path $CO_2/H_2O$ infrared gas analyzer installed at a height of 18.5 m on the rooftop of the Jungnang KT building located at a typical residential area in Seoul, Korea. For this purpose, 7 different averaging operators including block average, linear regression, and moving averages during 100 s, 300 s, 600 s, 900 s, and 1800 s are considered and the data quality control procedure such as physical limit check and spike removal is also applied. It is found that as the averaging interval becomes shorter, turbulent fluxes computed by the moving average become smaller and the ratios of turbulent fluxes computed by the 100 s moving average to the fluxes by the 1800 s moving average under unstable stability are smaller than those under neutral stability. The turbulent fluxes computed by the linear regression are 85~92% of those computed by the 1800 s moving average and nearly the same as those computed by 900 s moving average, implying that the adequate selection of an averaging operator and its interval will be very important to estimate more accurate turbulent fluxes at urban area.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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