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An analytical and experimentall investigation of natural convection heat transfer in vertical channels with a single obstruction

1990; Elsevier BV; Volume: 33; Issue: 6 Linguagem: Inglês

10.1016/0017-9310(90)90245-p

1879-2189

S.A.M. Said, R. J. Krane,

Heat Transfer and Boiling Studies

An experimental and numerical investigation was made of laminar natural convection flow of air in a vertical channel with a single obstruction. In the experimental study, optical techniques were used to obtain measurement of both quantitative data (heat fluxes and temperatures) and qualitative data (flow visualization). Only uniform wall temperature (UWT) boundary conditions were investigated experimentally. In the numerical study, a general purpose, finite element computer code called NACHOS was used. Thermal boundary conditions, uniform wall temperature (UWT), and uniform heat flux (UHF) were investigated numerically. The experimental and numerical results were in close agreement. The results indicate that for UWT boundary conditions the presence of an obstruction reduces the average Nusselt number by 5% at a Rayleigh number of 104 to about 40% at a Rayleigh number of 10. It is also noted that the location of the obstruction along the wall affects the rate of heat transfer. Moving the obstruction away from the entrance towards the exit reduces the average heat transfer rate for the channel. For UHF boundary conditions, the maximum temperature (which occurs at the intersection of the top edge of the obstruction and the wall) is only 4% higher than the maximum temperature for an unobstructed channel (which occurs at the exit of the channel). On étudie expérimentalement et numériquement la convection thermique naturelle laminaire de l'air dans un canal vertical ayant une seule obstruction. Dans l'étude expérimentale, on utilise les techiques optiques pour obtenir à la fois des données quantitatives (flux thermiques et températures) et qualitatives (visualisation de l'écoulement). On ne considère que des conditions de température pariétales uniformes (UWT) dans les expériences. Dans les calculs, on utilise un code général aux éléments finis appelé NACHOS et on considère des conditions aux limites de température pariétale uniforme (UWT) et de flux uniforme (UHF). Les résultats expérimentaux et numériques sont en bon accord. Ils montrent que pour les conditions UWT, la présence d'une obstruction réduit de 5% le nombre de Nusselt moyen à un nombre le Rayleigh de 104 et de 40% environ lorsque le nombre de Rayleigh est égal à 10. Quand l'obstruction est déplacée depuis l'entrée jusqu'à la sortie, le coefficient moyen de convection diminue. Pour les conditions UHF, la température maximale (à l'intersection du bord supérieur de la cloison et de la paroi) est seulement de 4% plus grande que la température maximale pour un canal sans obstruction (elle apparait à la sortie du canal). Die laminare natürliche Konvektionsströmung von Luft in einem senkrechten Kanal mit einem einzelnen Hindernis wurde experimentell und numerisch untersucht. In den Experimenten wurden optische Verfahren angewandt zur Ermittlung quantitativer (Wärmeströme und Temperaturen) und qualitativer Ergebnisse (Sichtbarmachung der Strömung). Bei den Versuchen wurde mit konstanter Wandtemperatur gearbeitet. Für die numerische Untersuchung wurde ein allgenein anwendbares Finite-Elemente-Programm mit Namen NACHOS verwendet. Numerisch wurden beide Randbedingungen, konstante Wandtemperatur und konstanter Wärmestrom, untersucht. Die experimentellen Ergebnisse stimmen gut überein. Sie zeigen, daß bei aufgeprägter Wandtemperatur ein Hindernis die mittlere Nusselt-Zahl um 5% (für die Rayleigh-Zahl 104) bzw. um 40% (für die Rayleigh-Zahl 10) verringert. Auch die Lage des Hindernisses in Strömungsrichtung beeinflußt den Wärmeübergang. Er nimmt ab, wenn das Hindernis in Richtung Kanalaustritt verschoben wird. Bei aufgeprägtem Wärmestrom ist die maximale Temperatur mit Hindernis nur um 4% höher als ohne Hindernis. Ohne Hindernis tritt sie am Kanalausgang auf, mit Hindernis am Schnittpunkt von Hindernis und Wand.