Numerical and experimental studies of self-sustained oscillatory flows in communicating channels
1992; Elsevier BV; Volume: 35; Issue: 11 Linguagem: Inglês
10.1016/0017-9310(92)90331-l
ISSN1879-2189
AutoresCristina H. Amon, D. Majumdar, Čila Herman, Franz Mayinger, B. B. Mikić, Dušan P. Sekulić,
Tópico(s)Heat Transfer Mechanisms
ResumoA combined numerical and experimental investigation of flow fields and thermal phenomena in communicating channels is performed to gain insight into the operation of compact heat exchange surfaces with interrupted plates. The geometric parameters are selected to excite and sustain the normally damped Tollmien-Schlichting modes. As a result, traveling waves are observed at relatively low Reynolds numbers, inducing self-sustained oscillatory flows that significantly enhance mixing. The critical Reynolds number at which oscillations are first observed in the periodic, fully developed flow region is determined. The numerical results are obtained by direct numerical simulation of the time-dependent energy and Navier-Stokes equations using a spectral element-Fourier method. The oscillatory heat transfer phenomenon is visualized experimentally using real-time, holographic interferometry. For periodic, fully developed flow conditions, the temperature fields are recorded utilizing high-speed cinematography. The experimental visualizations of the thermal waves verify the numerical predictions of the thermal-fluid structure and evolution of communicating-channels flows. Une étude des écoulements et phénomènes thermiques dans des veines communicantes, combinant une approche numérique et expérimentale, est effectuée dans le but de comprendre le comportement des surfaces d'échange de chaleur compactes avec plaques interrompues. Les paramètres géométriques sont définis afin d'exciter et d'entretenir des modes normalement amortis de Tollmien-Schlichting. A des nombres de Reynolds relativement faibles, une propagation d'ondes générant des écoulement oscillants autoentretenus, qui améliorent sensiblement le mélange, est observée. Le nombre de Reynolds critique à partir chequel des oscillations commencent à être observées pour un écoulement périodique et entièrement développé est déterminé. Les résultats numériques sont obtenues par une simulation directe des équations, dépendantes du temps, d'énergie et de Navier et Stokes à partir d'une méthode de Fourier avec éléments spectraux. Le phénomène de transfert thermique oscillatoire est visualisé expérimentalement par une interférométrie holographique en temps réel. Les champs thermiques, relatifs à un écoulement périodique et entièrement développé, ont été filmés à l'aide d'une caméra ultra-rapide. Les visualisations expérimentales des ondes thermiques vérifient les prédictions numériques de la structure thermohydraulique et l'évolution des écoulements dans les veines communicantes. Es wurde eine kombinierte numerische und experimentelle Untersuchung von Strömungsfeldern und Wärmetransportvorgängen in kommunizierenden Kanälen durchgeführt, um Einsicht in das Verhalten der kompakten wärmeaustauschenden Flächen mit geschlitzten Platten zu gewinnen. Die geometrischen Parameter wurden so gewählt um die sonst gedämpften Tollmien Schlichting Schwingungen anzuregen und aufrecht zu erhalten. Es wurden schon bei relativ niedrigen Reynolds-Zahlen Wanderwellen beobachtet, die die selbsterregten Schwingungen verursachen und dadurch die Durchmischung des Fluids wesentlich verbessern. Die kritische Reynolds Zahl im Bereich der periodisch voll entwickelten Strömung, bei welcher die Schwingungen auftreten, wurde bestimmt. Die numerischen Ergebnisse wurden mit Hilfe der direkten numerischen Simulation der zeitabhängigen Energie- und Navier-Stokes Gleichungen erhalten, und dafür wurde die Spektralelementen-Fourier Methode eingesetzt. Die Sichtbarmachung der Schwingungen in dem Wärmeübergangsprozeβ erfolgte experimentell, mit Hilfe der echtzeit-holographischen Interférométrie. Die Temperaturfelder in periodisch voll entwickelten Strömungsbedingungen wurden mit einer Hochgeschwindingkeitskamera aufgenommen. Die experimentelle Sichtbarmachung der thermischen Schwingungen bestätigt die numerischen Prognosen der thermischen Striktur dieser Strömung sowie das Verhalten der Strömung in den kommunizierenden Kanälen. Чиcлeннo и экcпepимeнтaльнo иccлeдyютcя пoля тeчeния и тeплoвыe явлeния в cooбщaющичcя кaнaлaч c цeлью aнaлизa paбoты пoвepчнocтeй кoмпaктныч плacтинчaтыч тeплooбмeнникoв. Bыбpaны гeoмeтpичecкиe пapaмeтpы, пpи кoтopыч вoзбyздaютcя и пoддepзивaютcя зaтyчaющиe мoды Toллмиeнa-Шличтингa. B peзyльтaтe бeгyщиe вoлны нaблюдaютcя пpи cpaвнитeльнo низкич чиcлaч Peйнoльдca, чтo пpивoдит к вoзникнoвeнию caмoпoддepзивaюшичcя кoлeбaтeльныч тeчeний, кoтopыe cyщecтвeннo интeиcифицpyют cмeщивaниe. Oпpeдeляeтcя кpитичecкoe чиcлo Peйнoльдca, пpи кoтopoм нaчинaютcя кoлeбaния в oблacти пepиoдичecкoгo пoлнocтью paзвитoгo тeчeния. Чиcлeнныe peзyльтaты пoлyчeны пocpeдcтвoм пpямoгo чиcдeннoгo мoдeлиpoвaния нecтaцнoнapныч ypaвнeний энepгии и Haвьe-Cтoкca мeтoдoм фypьe-aнaлизa. Bизyaлизaция тeнлoпepeнoca пpи кoлeбaтeльнoм двизeнии ocyщecтвляeтcя c пoмoщью гoлoгpaфичecкoй интepфepoмeтpии в peaльнoм мacштaбe вpeмeни. B ycлoвияч пepиoдичecкoгo пoлнocтью paзвитoгo тeчeния тeмпepaтypныe пoля peгиcтpиpyюяcя c иcпoльзoвaниeм выcoкocкopocтнoй кинocъeмки. Дaнныe пo визyaлизaции тeплoвыч вoлн пoдтвepздaют peзyльтaты чиcлeннoгo oпpeдeлeния cтpyктypы и звoлюции тeчeний в cooбщaющичcя кaнaлaч.
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