This study presents an experiment investigation on natural convection heat transfer of air-cooling Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) in a enclosure system for unmanned aerial vehicles (UAVs). Considered are replacing fuel cell stack with Aluminum block for heat generating inside a enclosure chamber. The volume ratio of fuel cell stack and chamber for simulation to the actual size of aerial vehicle is 1 to 15. The parameters considered for experimental study are the environmental temperature range from $25^{\circ}C$ to $-60^{\circ}C$ and the block heat input of 10 W, 20 W and 30 W. Effect of the thermal conductivity of the block and power level on heat transfer in the chamber are investigated. Experimental results illustrate the temperature rise at various locations inside the chamber as dependent upon heat input of fuel cell stack and environmental temperature. From the results, dimensionless correlation in natural convection was proposed with Nusselt number and Rayleigh number for designing air-cooling PEMFC powered high altitude long endurance (HALE) UAV.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.11
no.2
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pp.279-286
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1987
An numerical and experimental study has been performed on natural convection heat transfer from a horizontal heat exchanger tube with a fin. At s bare tube, by increasing $C_{T}$ (tube conduction parameter), mean Nusselt number and outer wall temperature are apparently increased at $C_{T}$.leq.300, slightly increased at $C_{T}$>300 and they can be represented in an exponential function of $C_{T}$. Natural convection heat transfer characteristics for the tube with a fin at given Rayleigh number are well agreed by those for an isothermal cylinder at a modified Rayleigh number. The local fin Nusselt number of the tube with a downward fin is much higher than that of the tube with an upward fin. The comparisons between numerical and experimental results showed good agreement.reement.
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.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.37
no.7
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pp.637-646
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2013
This study aims to numerically investigate the natural convection characteristics of a magnetic fluid in a cubic cavity. The governing equations of the magnetic fluid are solved using the Generalized-Simplified Marker and Cell Method (GSMAC). The natural convection and heat transfer characteristics of the magnetic fluid were analyzed by varying the intensity and direction of the magnetic field. As a result, it was found that the natural convection characteristics were controlled by the intensity and direction of the magnetic field, and the mean Nusselt numbers were minimized at a vertical intensity of H=-4000 and horizontal intensity of H=12000 of the magnetic field. In addition, the mean Nusselt numbers increased with the intensities of the magnetic field, regardless of the direction of the magnetic field.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.34
no.8
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pp.739-747
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2010
Numerical calculations are carried out for evaluating the natural convection induced by the temperature difference between a hot inner circular cylinder and a cold outer square enclosure. A two-dimensional solution for unsteady natural convection is obtained by using the finite volume method to model an inner circular cylinder that was designed by using the immersed boundary method (IBM) for a Rayleigh number of $10^7$. In this study, we investigate the effect of the location ($\delta$) of the inner cylinder, which is located along the vertical central axis of the outer enclosure, on the heat transfer and fluid flow. The natural convection changes from unsteady to steady state depending on the $\delta$. The two critical lower bound and upper bound positions are ${\delta}_{C,L}$ = 0.05 and ${\delta}_{C,U}$ = 0.18, respectively. Within these defined bounds, the thermal and flow fields are in steady state.
A full-sized model for the horizontally oriented metal cask containing 21 spent fuel assemblies has been considered to evaluate the internal natural convection behavior within a dry shield canister (DSC) filled with helium as a working fluid. A variety of two-dimensional CFD numerical investigations using a turbulent model have been performed to evaluate the heat transfer characteristics and the velocity distribution of natural convection inside the canister. The present numerical solutions for a range of Rayleigh number values ($3{\times}10^6{\sim}3{\times}10^7$) and a working fluid of air are further validated by comparing with the experimental data from previous work, and they agreed well with the experimental results. The predicted temperature field has indicated that the peak temperature is located in the second basket from the top along the vertical center line by effects of the natural convection. As the Rayleigh number increases, the convective heat transfer is dominant and the heat transfer due to the local circulation becomes stronger. The heat transfer characteristics show that the Nusselt numbers corresponding to $1.5{\times}10^6$ < Ra < $1.0{\times}10^7$ are proportional to 0.5 power of the Rayleigh number, while the Nusselt numbers for $1.0{\times}10^7$ < Ra < $8.0{\times}10^7$ are proportional to 0.27 power of the Rayleigh number. These results agreed well with the trends of the experimental data for Ra > $1.0{\times}10^7$.
In devising a numerical approximation for the convective spatial transport of a fluid mechanical quantity, it is noted that the convective motion of a scalar quantity occurs in one-way, or from upstream to downstream. This consideration leads to a new scheme termed a pure upwind difference scheme (PUDS) in which an estimated value for a fluid mechanical quantity at a control surface is not influenced from downstream values. The formal accuracy of the proposed scheme is third order accurate. Two typical benchmark problems of a wall-driven fluid flow in a square cavity and a buoyancy-driven natural convection in a tall cavity are computed to evaluate performance of the proposed method. for comparison, the widely used simple upwind scheme, power-law scheme, and QUICK methods are also considered. Computation results are encouraging: the proposed PUDS sensitized to the convection direction produces the least numerical diffusion among tested convection schemes, and, notable improvements in representing recirculation of fluid stream and spatial change of a scalar. Although the formal accuracy of PUDS and QUICK are the same, the accuracy difference of approximately a single order is observed from the revealed results.
Moballa, Burniadi;Chern, Ming-Jyh;Odhiambo, Ernest
Interaction and multiscale mechanics
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v.6
no.2
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pp.211-235
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2013
An incompressible smoothed particle hydrodynamics (ISPH) method based on the incremental pressure projection method is developed in this study. The Rayleigh-B$\acute{e}$nard convection in a square enclosure is used as a validation case and the results obtained by the proposed ISPH model are compared to the benchmark solutions. The comparison shows that the established ISPH method has a good performance in terms of accuracy. Subsequently, the proposed ISPH method is employed to simulate natural convection from a heated cylinder in a square enclosure. It shows that the predictions obtained by the ISPH method are in good agreements with the results obtained by previous studies using alternative numerical methods. A rotating and heated cylinder is also considered to study the effect of the rotation on the heat transfer process in the enclosure space. The numerical results show that for a square enclosure at, the addition of kinetic energy in the form of rotation does not enhance the heat transfer process. The method is also applied to simulate forced convection from a circular cylinder in an unbounded uniform flow. In terms of results, it turns out that the proposed ISPH model is capable to simulate heat transfer problems with the complex and moving boundaries.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.24
no.9
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pp.1210-1218
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2000
Thermal convection in a horizontal annulus is considered, and the bifurcation phenomena of flows from time-periodic to chaotic convection are numerically investigated. The unsteady two-dimensional streamfunction-vorticity equation is solved with finite difference method. As Rayleigh number is increased, the steady flow bifurcates to a time-periodic flow with a fundamental frequency, and afterwards a period-tripling bifurcation occurs with further increase of the Rayleigh number. Chaotic convection is established after a period-doubling bifurcation. A periodic convection with period 4 appears after the first chaotic convection. At still higher Rayleigh numbers, chaotic flows reappear.
In this paper, using the recently introduced analytical approach for the analysis of mass and heat transfer during film growth in reactors for epitaxy from the gas phase, these processes are analyzed taking into account natural convection and the possibility of changing the rate of chemical interaction between reagents. As a result of the analysis, the conditions under which the homogeneity of the grown epitaxial layers increases with a change in the values of the parameters of the growth process are formulated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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