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.
한국전산유체공학회 2003년도 The Fifth Asian Computational Fluid Dynamics Conference
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pp.13-14
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2003
Two different ${\kappa}-{\varepsilon}-\overline{{\nu}{\nu}}-f$ turbulence models together with the two-layer model are evaluated for natural convection in a rectangular cavity. The numerical problem and accuracy of the turbulence models are discussed. The original $\overline{{\nu}{\nu}}-f$ model suffers from the numerical stiffness problem when used with the segregate solution procedure like the SIMPLE algorithm, and a remedy for this problem is proposed. It is shown that original $\overline{{\nu}{\nu}}-f$ model best predicts the mean velocity, Reynolds stresses and the turbulent heat flux while the modified $\overline{{\nu}{\nu}}-f$ model (N=6) overpredicts the turbulent quantities.
Numerical calculations of turbulent natural convection in an enclosure of the 20 kYA oil-immersed transformer model are presented. The transformer is modelled as two concentric cylinders with different heights and diameters. The thermal boundary layers are well represented in the temperature distributions along the wall of the transformer model. The flow stratification between the hot and cold walls can not be seen in the transformer model. The turbulence eddy viscosity has its maximum at the center of the core and its maximum values at the top of the core are larger than those at the bottom of the core.
수직벽 화재의 연구에 사용할 전산유체역학 시뮬레이터를 검증하기 위해 수직벽 자연대류의 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 높이 4m의 등온 수직벽에 형성된 난류 경계층에서의 속도 및 온도 분포의 계산치를 측정치와 비교하였다. 시뮬레이터에 포함된 매개변수의 기본 값을 그대로 적용한 경우, 경계층 유동이 층류로 나타남에 따라 난류 자연대류를 예측하는데 실패하였다. 매개변수의 조사를 통해 격자크기 $\Delta$x=5mm, ${\Delta}y={\Delta}z=10mm$와 대와동모사(large eddy simulation)의 스마고린스키 상수(Smagorinsky constant) $C_s$=0.1을 선정하였다. 난류혼합이 미흡하였지만, 벽면근처에서의 속도분포와 최대속도, 그리고 난류 경계층 내 온도분포가 실험과 잘 일치하였다.
The objective of the present study is to perform experiments for water filled cavity heated and cooled from the side at $Ra=8.5{\times}108$. This experiment can provide validation database of the standard k-${\varepsilon}$ turbulence model for single-phase turbulent natural convection which has been regarded as one of the important phenomena in nuclear safety. For the natural convection inside a cavity, temperature and velocity were obtained by thermometry and PIV (Particle Image Velocimetry) methods. These results would be used for validation of standard k-${\varepsilon}$ turbulence model.
The elliptic conceptual second moment models for turbulent heat fluxes, which are proposed on the basis of elliptic-blending and elliptic-relaxation equations, are applied to calculate the combined forced and natural turbulent convection in a vertical plane channel. The models satisfy the near-wall balance between viscous diffusion, viscous dissipation and temperature-pressure gradient correlation, and also have the characteristics of approaching its respective conventional high Reynolds number model far away from the wall. Also the models are closely linked to the elliptic blending model which is used for the prediction of Reynolds stress. In order to calibrate the heat flux models, firstly, the distributions of mean temperature and scala flux in fully developed channel flow with constant wall difference temperature are solved by the present models. The buoyancy effect on the turbulent characteristics including the mean velocity and temperature, the Reynolds stress tensor, and the turbulent heat flux vector are examined. In the opposing flow, the turbulent transport is greatly enhanced with both the Reynolds stresses and the turbulent heat fluxes being remarkably increased; whereas, in the aiding flow, the opposite change is observed. The results of prediction are directly compared to the DNS to assess the performance of the model predictions and show that the behaviors of the turbulent heat transfer in the whole flow region are well captured by the present models.
본 연구에서는 상기 연구의 연장으로서 Prandtl수가 6.05인 내부발열유체가 경사진 정사각 난류자연대류유동, 온도분포 및 열전달량의 분포를 수치적인 방법으로 예측하였다. 벽면 깅이의 1/2를 특성길이로 하는 Rayleigh수의 범위는 1*$10^{6}$ ~1*$10^{9}$ 으로 선택하였으며 경사각도는 0˚, 15˚, 30˚및 45˚로 선택하였다.
The analysis of characteristics of turbulent flow and thermal boundary layer for natural convection caused by fire along vertical wall is performed. The 4m-high vertical copper plate is heated and kept at a uniform surface temperature of $60^{\circ}C$ and the surrounding fluid (air) is kept at $16.5^{\circ}C$. The flow and temperature is solved by large eddy simulation(LES) of FDS code(Ver.6), in which the viscous-sublayer flow is calculated by Werner-Wengle wall function. The whole analyzed domain is assumed as turbulent region to apply wall function even through the laminar flow is transient to the turbulent flow between $10^9$<$Gr_z$<$10^{10}$ in experiments. The various grids from $7{\times}7{\times}128$ to $18{\times}18{\times}128$ are applied to investigate the sensitivity of wall function to $x^+$ value in LES simulation. The mean velocity and temperature profiles in the turbulent boundary layer are compared with experimental data by Tsuji & Nagano and the results from other LES simulation in which the viscous-sublayer flow is directly solved with many grids. The relationship between heat transfer rate($Nu_z$) and $Gr_zPr$ is investigated and calculated heat transfer rates are compared with theoretical equation and experimental data.
The turbulent buoyancy-driven flow in 2-dimensional enclosed cavities heated from the vertical side is numerically calculated for both cases of a Rayleigh number of 5*10$^{10}$ for air and 2.5*10$^{10}$ for water. Three different turbulence models are considered : standard k-.epsilon. model of Ozoe and low-Reynolds-number model of Lam and Bremhorst, and another low-Reynolds-number model of Davidson. The results indicate that the use of low-Reynolds number models is recommended for the indoor airflow computation, and the results from Davidson model are reasonably close to the reported experimental data. A sensitivity study shows that the amounts of wall-heat transfer and the velocity profiles with the Lam and Bremhorst model largely depend on the choice of the wall function for .epsilon..
Turbulent natural convective flow and heat transfer in a square enclosure with horizontal partition are investigated numerically. The enclosure is composed of a lower hot and a upper cold horizontal walls and adiabatic vertical walls. Partitions carried with the upward, downward, and both control plates are attached perpendicularly to the one of the vertical insulated walls, respectively. The low Reynolds number $k-\varepsilon$ model is adopted to calculate the turbulent thermal convection. The governing equations are solved by using the finite element method with Galerkin method. The computations have been carried out by varying the length of partition, the position of control plates, and the Rayleigh number based on the temperature difference between two horizontal walls and the enclosure height for water(Pr=4.95). When the control plates are attached at the edge of partition, the stability of oscillating flow grows wrose with the increase of Rayleigh number and the partition length. The heat transfer rate has been reducer than that of no control plate due to the restraint of control plates with the increase of Rayleigh number.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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