This paper presents the adjoint variable design sensitivity analysis for thermal systems considering both conduction and convection heat transfer. Both nodal temperature and total heat flow are considered to be objective functions and design sensitivity formulas are derived for each case. For the case of convection heat transfer, the adjoint analysis is carefully proceeded to obtain a precise result. A topology optimization example is examined for a simple planar square plate in order to design a heat exchanger as verification.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.22
no.8
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pp.1183-1194
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1998
This paper describes a theoretical model developed for analyzing the heat transfer of automotive cooling systems. From the model, heat transfer rate of automotive cooling systems can be predicted, providing useful information at the early stages of the design and development. The aim of the study is to develop a simulation program for automotive cooling system analysis and a performance analysis program for analyzing heat exchanger. Heat release rate from combustion gas to coolant through cylinder wall in engine cylinder was analyzed by using a two zone combustion model. This paper studied how cooling condition would affect engine heat release rate and measured temperature distribution of coolant in water jacket.
In this study, the characteristics of internal flow and the heat transfer performance of dimpled plate heat exchanger were numerically investigated. For the numerical analysis, conjugate heat transfer method between cold fluid - plate - hot fluid was studied with appropriate boundary conditions. Velocity magnitude, temperature and pressure distribution were obtained from the simulation. Correlations for fanning f-factor and Colburn j-factor were obtained from numerical results and compared to the experimented data.
Purpose: Heat transfers phenomena are described by the second order partial differential equation and its boundary conditions. In a three-dimensional structure of a building, the heat transfer phenomena generally include more than one material, and thus, become complicate. The analytic solutions are useful to understand heat transfer phenomena, but they can hardly be applied in engineering or design problems. Engineers and designers have generally been forced to use numerical methods providing reliable results. Finite volume methods with the unstructured grid system is only the suitable means of the analysis for the complex and arbitrary domains. Method: To obtain an numerical solution, a discretization method, which approximates the differential equations, and the interpolation methods for temperature and heat flux between two or more materials are required. The discretization methods are applied to small domains in space and time, and these numerical solutions form the descretized equations provide approximated solutions in both space and time. The accuracy of numerical solutions is dependent on the quality of discretizations and size of cells used. The higher accuracy, the higher numerical resources are required. The balance between the accuracy and difficulty of the numerical methods is critical for the success of the numerical analysis. A simple and easy interpolation methods among multiple materials are developed. The linear equations are solved with the BiCGSTAB being a effective matrix solver. Result: This study provides an overview of discretization methods, boundary interface, and matrix solver for the 3-dimensional numerical heat transfer including two materials.
The natural convection and combined heat transfer induced by fire in a rectangular enclosure is numerically studied. The model for this numerical analysis is partially opened right wall. The solution procedure includes the standard k-$\varepsilon$ model for turbulent flow and the discrete ordinates method (DOM) is used for the calculation of radiative heat transfer equation. In numerical study, SIMPLE algorithm is applied for fluid flow analysis, and the investigations of combustion gas induced by fire is performed by FAST model of HAZARD I program. In this study, numerical simulation on the combined naturnal convection and radiation is carried out in a partial enclosure filled with absorbed-emitted gray media, but is not considered scattering problem. The streamlines, isothermal lines, average radiation intensity and kinetic energy are compared the results of pure convection with those of the combined convection-radiation, the combined heat transfer. Comparing the results of pure convection with those of the combined convection-radiation, the combined heat transfer analysis shows the stronger circulation than those of the pure convection. Three different locations of heat source are considered to observe the effect of heat source location on the heat transfer phenomena. As the results, the circulation and the heat transfer in the left region from heating block are much more influenced than those in the right region. It is also founded that the radiation effect cannot be neglected in analyzing the building in fire. And as the results of combustion gas analysis from FAST model, it is found that O2 concentration is decreased according to time. While CO and CO2 concentration are rapidly increased in the beginning(about 100sec), but slowly decreased from that time on.
Generally, ground-source heat pump (GSHP) systems have a higher performance than conventional air-source systems. However, the major fault of GSHP systems is their expensive boring costs. Therefore, it is important issue that to reduce initial cost and ensure stability of system through accurate prediction of the heat extraction and injection rates of the ground heat exchanger. Conventional analysis methods employed by line source theory are used to predict heat transfer rate between ground heat exchanger and soil. Shape of ground heat exchanger was simplified by equivalent diameter model, but these methods do not accurately reflect the heat transfer characteristics according to the heat exchanger geometry. In this study, a numerical model that combines a user subroutine module that calculates circulation water conditions in the ground heat exchanger and FEFLOW program which can simulate heat/moisture transfer in the soil, is developed. Heat transfer performance was evaluated for 3 different types ground heat exchanger(U-tube, Double U-tube, Coaxial).
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.20
no.1
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pp.346-358
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1996
A finite volume radiation solution method was applied to a non- orthogonal coordinate system for the analysis of radiative-convective heat transfer about a circular cylinder in crossflow. The crossflow Reynolds number based on the cylinder radius was 20, and the fluid Prandtl number was 0.7. The radiative heat transfer coupled with convection was reasonably predicted by the finite volume radiation solution method. The investigation includes the effects of conduction- to-radiation parameter, optical thickness, scattering albedo and cylinder wall-emissivity on heat transfer about the cylinder. As the conduction- to-radiation parameter decreases, the radiative heat transfer rate increases and conduction rate as well due to the increase in temperature gradient on the cylinder wall which is caused by radiation enhancement. With an increase in the optical thickness, the Nusselt number increases significantly and the temperature gradient shows similar behavior. Though the radiative heat transfer increases with the scattering albedo, the total heat transfer decreases. This is because the decrease in the conduction heat transfer exceeds the increase in the radiation heat transfer. As the wall- emissivity increases, the radiation absorbed in the vicinity of the cylinder wall increases and thereby the total heat transfer increases, even though the conduction heat transfer decreases.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.22
no.2
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pp.228-234
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2013
This study focuses on development of a finite element model for analysis of thermal characteristics of a direct-connection spindle of a machining center by joint simulation of heat transfer and thermal deformation. Two finite element analyses were carried out procedurally for heat transfer, first, to identify temperature distribution of components of the spindle and then for thermal deformation to identify their structural behavior based on the temperature distribution. It was assumed that the heat transfer between a component revolving and the surrounding air is identical to that between a flat plate and the running air on it and the heat transfer is based on a uniform surface heat flux for turbulent flow. The results from the analyses were compared with those from experiments to validate the finite element model.
This paper presents an improved performance of heat transfer for shell-and-tube and thermal analysis based on the Bell-Delaware method for single tube. Heat transfer has been compared for a smooth tube, helical tube and surface-coated tube. In general, the results showed that properly designed helical tube and surface-coated tube offer a significant improvement in heat transfer. The numerical results derived from the Bell-Delaware method for the shell-side heat transfer coefficient were verified with experimental results. The thermal analysis aids significantly in the solution of the design problem.
Determination of the interface heat transfer coefficient was investigated in non-isothermal bulk forming of glass-coated Ti-6Al-4V. FE analysis and experiments were conducted. Equipment consisting of AISI Hl3 die was instrumented with thermocouples located at sub-surface of the bottom die. Die temperature changes were investigated in related to the process variables such as reduction, lubricant and initial die temperature. The calibration approach based on heat conduction and FE analysis using an inverse algorithm were used to evaluate the interface heat transfer between graphite-lubricated die and glass-coated workpiece. The coefficients determined were affected mainly by the contact pressure. The validation of the coefficients was made by the comparison between experimental data and FE analysis results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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