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Developing flow and transport above a suddenly heated horizontal surface in water

1984; Elsevier BV; Volume: 27; Issue: 2 Linguagem: Inglês

10.1016/0017-9310(84)90218-7

1879-2189

Joseph C. Mollendorf, Humayun Arif, Emmanuel B. Ajiniran,

Oceanographic and Atmospheric Processes

The results of this experimental investigation are observations and conclusions, determined by transport measurements and flow visualization, regarding the development of convection above an instrumented, horizontal surface (with side walls) in an extensive water ambient subjected to a step in electrical energy generation. The initial mode of heat transfer was concluded to be conduction, since the measured plate surface temperature closely agreed with one-dimensional transient conduction theory. Departures from the theoretical conduction solution were an indication of the onset of convective motion. When the heated layer became sufficiently thick, a wave-like instability was observed, followed by fluid motion, with nearlyspherically-shaped ‘heat bubbles’ (thermals) rising randomly, increasing in size, with some assuming a mushroom shape and breaking away from the bulk of the heated fluid. Thereafter, both the local and spatially averaged plate surface temperatures were seen to be time dependent. Another observation was the presence of wispy, swaying ‘convection columns’ which meandered to-and-fro on the surface. The first visual convective instability was seen to precede the departure of the measured surface temperature from the conduction solution. As the low ambient temperature range was approached, the density extremum effect reduced Nu Ra−13 by as much as about 50%. It is concluded that transport above a heated, horizontal surface in an extensive water ambient is inherently time dependent; initially largely because of‘heat bubbles’ breaking away from the conduction layer, and later because of the continual movement of ‘convection columns’. Les résultats de cette étude expérimentale, basés sur des mesures de transport et une visualisation de l'écoulement, concernent le développement de la convection au-dessus d'une surface horizontale instrumentée (avec des parois latérales), soumise à un échelon de chauffage électrique, dans l'eau. Le mode initial de transfert de chaleur est la conduction puisque la température mesurée de la surface s'accorde avec la théorie de la conduction variable unidirectionnelle. Les écarts à la solution théorique de conduction sont une indication du début du mouvement de convection. Quand la couche chauffée devient suffisamment épaisse, on observe une instabilité de type ondulatoire, suivie par un mouvement fluide avec des “bulles de chaleur” (thermiques) de forme sphérique qui s'élèvent au hasard en augmentant de taille, avec une forme de champignon et qui disparaissent au loin. Ensuite les températures locales et moyennes spatiales sur la surface sont dépendantes du temps. Une autre observation est la présence de “colonnes convectives” en touffes qui partent de la surface. La première instabilité convective visible précède l'écart de la température mesurée de la surface à la solution de conduction. Lorsque la température ambiante est faible, l'effet d'extremum de densité réduit Nu Ra−13 d'environ 50%. On conclut que le transport au-dessus d'une surface horizontale chaude, dans une ambiance d'eau de grand volume est foncièrement fonction du temps; initialement à cause des “bulles de chaleur” qui quittent la couche de conduction et ensuite à cause du mouvement incessant des “colonnes convectives”. Die Ergebnisse dieser experimentellen Untersuchung bestehen aus Beobachtungen und Schluβfolgerungen über das Einsetzen von freier Konvektion über einer mit Meβfühlern ausgestatteten horizontalen Fläche. Die Fläche (mit seitlichen Begrenzungsflächen) befindet sich in einem ausgedehnten, wassergefüllten Raum und wird sprungartig elektrisch beheizt. Die Ergebnisse wurden durch Messung und Sichtbarmachung der Strömungen gewonnen. Es wurde geschlossen, daβ die Wärmeübertragung zuerst durch Leitung stattfindet, da die gemessenen Oberflächentemperaturen der Platte sehr gut mit den nach der Theorie der eindimensionalen instationären Wärmeleitung erwarteten übereinstimmten. Abweichungen von den nach der Theorie der Wärmeleitung erwarteten Lösung sind ein Anzeichen für das Einsetzen von Konvektion. Nach Erreichen einer ausreichenden Schichtdicke wurde eine wellenartige Instabilität beobachtet. Danach setzte eine konvektive Fluidbewegung ein, wobei sich fast kugelförmige “Wärmeblasen” (Thermalen) von der beheizten Oberfläche abhoben und mit fortschreitender Zeit immer gröβer wurden, wobei einige die Gestalt von Pilzen annahmen und von der aufgeheizten Schicht wegtrieben. Danach waren sowohl die örtlichen als auch die mittleren Plattentemperaturen zeitlich veränderlich. Weiter wurden dünne, hin- und herschwingende “Konvektionssäulen” beobachtet, die auf der Oberfläche hin und her wanderten. Es wurde beobachtet, daβ die erste optisch sichtbare Instabilität der Abweichung zwischen der gemessenen und der für Wärmeleitung gerechneten Oberflächentemperatur vorangeht. Bei Annäherung an niedrigere Umgebungstemperaturen verminderte der Einfluβ des Dichtemaximums den Wert Nu Ra13 um ungefähr 50%. Zusammenfassend kann gesagt werden, daβ der Transport über einer beheizten waagerechten Fläche in einer ausgedehnten Umgebung von Wasser immer zeitabhängig ist: zuerst hauptsächlich wegen der “Wärmeblasen”, die sich aus der Schicht mit reiner Wärmeleitung lösen und danach wegen der ständigen Bewegung der “Konvektionssäulen”. Пpoвeдehы измepehия и визyaлизaция пoтoкa пpи вoзhикhoвehии кoивeкции haд chaбжehhoй дaтчикaми гopизohтaльhoй пoвepчhocтью (c бoкoвыми cтehкaми), пoмeщehhoй в бoльшoи oббeм вoды, cкaчкooбpaзho haгpeвaeмoй элeктpичecким тoкoм. Пpeдпoлaгaeтcя, чтo в иaчaльhый пepиoд ochoвhым pcжимoм тeплoпepehoca являeтcя тeплoпpoвoдhocть. тaк кaк peзyльтaты измepehий тeмпepaтypы пoвepчhocти плacтиhы чopoщo coглacyютcя c тeopиeй oдhoмephoй heycтahoвившeйcя тeплoпpoвoдhocти. Oтклohehия oт тeopeтичecкoгo peшehия зaдaчи тeплoпpoвoдhocти yкaзывaли ha вoзhикhoвehиe кohвeктивhoгo движehия. Пpи дocтижehии haгpeвaeмым cлoeм oпpeдeлehhoй тoлщиhы haблюдaлocь вoзhикhoвehиe вoлhoвoй heycтoйчивocти, зa кoтopoй cлeдoвaлo движehиe жидкocти c пoчти cфepичecкими “тeплoвыми пyзыpькaми”, кoтopыe пoдhимaлиcь бecпopядoчho, yвeличивaлиcь в paзмepe, пpи этoм heкoтopыe из hич пpиoбpeтaли фopмy гpибa и oтpывaлиcь oт ochoвhoй мaccы haгpeвaeмoй жидкocти. Пocлe этoгo кaк лoкaльhыe, тaк и ycpeдhehhыe пo пpocтpahcтвy зhaчehия тeмпepaтypы пoвepчhocти плacтиhы haчиhaли зaвиceть oт вpeмehи. Kpoмe тoгo, haблюдaлиcь пyчки кoлeблющичcя “кohвeктивhыч кoлohoк”, пepeмeщaющичcя в oбe cтopohы пo пoвepчhocти. Oтмeчeho, чтo пepвaя визyaльho haблюдaeмaя кohвeктивhaя heycтoйчивocть пpeдщecтвyeт oтклohehию измepehhoй тeмпepaтypы пoвepчhocти oт зhaчehия, пoлyчehhoгo пpи peщehии зaдaчи тeплoпpoвoдhocти. B cлyчae yмehьщehия тeмпepaтypы oкpyжaющeй cpeды влияhиe экcтpeмyмa плoтhocти chижaлo вeличиhy Nu Ra−13 пpимepho ha 50% Cдeлah вывoд, чтo пepehoc haд haгpeвaeмoй гopизoитaльhoй пoвepчhocтью в бoльшoм oббeмe вoды cyщecтвehho зaвиcит oт вpeмehи: вhaчaлe пpeимyщecтвehho из-зa oтpывa “тeплoвыч пyзыpькoв”, a зaтeм из-зa движehия “кohвeктивhыч кoлohoк”.