INVESTIGATION OF FLUID FLOW AND HEAT TRANSFER IN A CHANNEL WITH AN OPEN CAVITY HEATED FROM BOTTOM SIDE

Abstract

In this study, laminar flow of air (Pr=0.71) and combined forced convection through a horizontal square duct having side length H with a cavity height D and length W placed below the duct is investigated. While the bottom surface of the cavity is kept at a constant temperature, all the other cavity and duct walls are adiabatic. Air at constant temperature enters to the duct with constant velocity. The problem is modeled in three dimensions (3-D) and continuity, momentum and energy equations are solved using FLUENT® software where Boussinesq approximation is used for the density difference. In differencing the convection terms, second order upwind scheme and SIMPLE algorithm has been adapted. Width to height ratio of cavity is taken as W/D=0.5 and 1 while duct height to cavity height ratio H/D is kept within 0.5-2 interval. The Richardson number is varied between 0.1 to 10. The numerical simulations and the analysis were carried out for Reynolds number values of 10, 100 and 200. The average Nusselt number is computed over the hot bottom cavity surface area and the effects of the Richardson number, Reynolds number, W/D and H/D ratios on the flow and heat transfer are investigated. It is observed that as the cavity width is increased, rotating cells are observed with increasing the Richardson number while for increased Reynolds numbers forced convection effects became more pronounced.

Keywords

• Natural convection,forced convection,combined convection,cavity duct,laminar flow

ALT YÜZEYİNDEN ISITILAN AÇIK OYUK İÇEREN YATAY KANALDA ISI GEÇİŞİ VE AKIŞIN İNCELENMESİ

Abstract

Bu çalışmada, yüksekliği ve genişliği H olan kare kesitli yatay şekilde konumlu bir kanalın tabanına yerleştirilen, yüksekliği D ve uzunluğu W olan bir oyuktan laminer akış koşullarında hava (Pr=0.71) akışı ile kombine zorlanmış ve doğal taşınım ile ısı geçişi sayısal olarak incelenmiştir. Oyuk alt yüzeyi sabit sıcaklıkta tutulurken, oyuk ve kanalın diğer duvarları yalıtılmıştır. Hava, kanala sabit hız ve sabit sıcaklıkta girmektedir. Problem, üç boyutlu (3-B) olarak ele alınmış ve süreklilik, momentum ve enerji denklemleri FLUENT® yazılımı yardımıyla çözülmüş ve yoğunluk farkı için Boussinesq yaklaşımı kullanılmıştır. Taşınım terimlerinin ayrıklaştırılmasında, ikinci dereceden ayrıklaştırma ve sayısal çözümde SIMPLE algoritması kullanılmıştır. Oyuk en/boy oranı, W/D=0.5 ve 1 alınırken, kanal yüksekliğinin oyuk yüksekliğine oranı H/D=0.5-2 aralığında tutulmuştur. Richardson sayısı 0.1-10 arasında değiştirilmiştir. Sayısal analizlerde Reynolds sayısının 10, 100 ve 200 değerleri için incelenmiştir. Nusselt sayısı, ısıtılan oyuk taban yüzeyi alanı boyunca ortalanmış değeri hesaplanarak Richardson sayısı, Reynolds sayısı, W/D ve H/D oranlarının değişiminin kanaldaki akışkan akışının ısı geçişine etkisi incelenmiştir. Oyuk genişliği arttırıldığında ısı geçişinde artış olduğu, Richardson sayısı arttırıldığında oyuk içinde dönel hücrelerin oluştuğu, yüksek Reynolds değerlerinde ise zorlanmış taşınım etkilerinin önem kazandığı gözlenmiştir.

Keywords

• Doğal taşınım,Zorlanmış Taşınım,Kombine taşınım,oyuk kanal,Laminer akış

References

1. Sharif M.A.R, Mohammad T.R., Natural Convection in Cavities with Constant Heat Flux Heating at The Bottom Wall and Isothermal Cooling From Sidewalls, International Journal Of Thermal Sciences, 44, 865-878, 2005.
2. Corcione, M., Effects of The Thermal Boundary Conditions at The Sidewalls upon Natural Convection in Rectangular Enclosures Heated From Below and Cooled From Above, International Journal Of Thermal Sciences, 42, 199-208, 2003.
3. Dalal A., Das M.K., Natural Convection in a Rectangular Cavity Heated From Below and Uniformly Cooled From The Top and Both Sides, Numerical Heat Transfer Part:A,49, 301-322, 2006.
4. Pigeonneau F., Flesselles J.M., Practical Laws for Natural Convection of Viscous Fluids Heated From Above in a Shallow Cavity, International Journal of Heat and Mass Transfer, 55, 436-442, 2012.
5. Basak T., Roy S., Sharma P.K., Pop I., Analysis of Mixed Convection Flows within a Square Cavity with Uniform and Non-uniform Heating of Bottom Wall, International Journal of Thermal Sciences, 48, 891-912, 2009.
6. Leong J.C., Brown N.M., Lai F.C., Mixed Convection From an Open Cavity In a Horizontal Channel, International Communications in Heat and Mass Transfer, 32, 583-592, 2005.
7. Pallares J., Cuesta I., Grau F.X., Giralt F., Natural Convection in a Cubical Cavity Heated from Below at Low Rayleigh Numbers, International Journal Heat Mass Transfer, 39, 3233-3247, 1996.
8. Nakano A., Ozoe H., Churchill S.W., Numerical Computation of Natural Convection for a Low-Prandtl-Number Fluid in a Shallow Rectangular Region Heated From Below, Chemical Engineering Journal, 71, 175-182, 1998.

9. Striba Y., Anaysis of The Flow and Heat Transfer Characteristics for Assisting Incompressible Laminar Flow Past an Open Cavity, International Communications in Heat and Mass Transfer, 35, 901-907, 2008.
10. Andreozzi A., Buonomo B., Manca O., Nardini S., Three Dimensional Transient Natural Convection in Horizontal Channels Heated From Below, ASME ATI2006,Vol2, 773-782, 2006.
11. Buonomo B., Foglia G., Manca O., Nardini S., Mixed Convection in a Horizontal Channel with Heated Bottom Wall and External Heat Transfer on Upper Wall, ASME ATI2006,Vol2, 763-772, 2006.