Fulltext

Developing Laminar Mixed Convection Heat Transfer Through Concentric Annuli

Mohammed Abdul Raouf Nima Al-Safi --- Ihsan Y. Hussain

Journal of Engineering مجلة الهندسة
ISSN: 17264073 25203339 Year: 2010 Volume: 16 Issue: 3 Pages: 5644- 5662
Publisher: Baghdad University جامعة بغداد

Abstract

Theoretical and experimental study has been conducted on developing laminar mixed convection heat transfer air flow through an annulus for both aiding and opposing flow with uniformly heated inner cylinder and adiabatic outer cylinder for the theoretical part and with uniformly heated inner cylinder while the outer cylinder is subjected to the ambient for the experimental part. In the theoretical investigation the energy equation was first solved using (ADI) method, and then the momentum equations and continuity equation were combined as the pressure correction formula and solved by the SIMPLE algorithm. The present theoretical work covers Ra range from 4.55*105 to 5.649*106 and Re range from 300 to 1000 with radius ratio of 0.555 and Pr=0.72. The velocity and temperature profile results have revealed that the secondary flow created by natural convection have significant effects on the heat transfer process and the results reveal an increase in the Nusselt number values as Ra increases. The experimental setup consists of an annulus which has a radius ratio of 0.555 and inner cylinder with a heated length 1.2m subjected to a constant heat flux while the outer cylinder is subjected to the ambient temperature. The investigation covers Reynolds number range from 154 to 724, heat flux varied from 93 W/m2 to 857 W/m2, and annulus angles of inclinations α=0° (horizontal), α=20°, 60° (inclined aiding flow), α=-20,-60 (inclined opposing flow) and α=90° (vertical). The experimental results show an increase in the local Nusselt number values as the heat flux increases and as the angle of the inclination moves from the positive angles (inclined aiding flow) to the horizontal position and from the negative angles (inclined opposing flow) to the horizontal position. The experimental results show that the local Nusselt number values of the aiding flow are higher than that of the opposing flow at the same Reynolds number and heat flux.

أُجريتْ دراسة نظرية و عملية لانتقال الحرارة بالحمل المختلط لجريان الهواء خلال تجويف حلقي ذو أسطوانتين متمركزتين (في حالة الجريان الثانوي باتجاه الجريان الرئيسي وفي حالة الجريان الثانوي عكس اتجاه الجريان الرئيسي)؛ الداخلية مسخنة تسخين منتظم و الخارجية معزولة في حالة الدراسة النظرية اما في حالة الدراسة العملية فان الاسطوانة الداخلية مسخنة تسخين منتظم والخارجية معرضة الى درجة حرارة الجو. في البحث النظري تم حل معادلة الطاقة اولا باستخدام طريقة (ADI) ثم تم ربط معادلات الزخم بمعادلة الاستمرارية لانتاج معادلة تصحيح الضغط والتي تم حلها باستخدام خوارزمية .(SIMPLE) رقم رينولدز Re المستخدم في هذا البحث النظري من 300 إلى 1000 أما رقم رالي Ra من 4.55*105 الى 5.649*106 مع نسبة نصف قطر تساوي 0.555 وهي نفسها المستخدمة في الجزء العملي من هذا البحث ورقم براندتل Pr=0.72. اظهرت نتائج توزيع السرعة و درجات الحرارة ان الجريان الثانوي الناتج من الحمل الحر(الطبيعي) له تاثير مهم على عملية انتقال الحرارة كما اظهرت النتائج زيادة في قيم رقم نسلت الموقعي عند زيادة رقم رالي Ra. البحث العملي تضمن اجراء تجارب عملية لدراسة انتقال الحرارة الموقعي و المعدّل بالحمل المختلط لجريان الهواء المشكّـل تراكبياً ( أي تزامن التشكيل الحراري مع التشكيل الهيدروديناميكي) بتجويف حلقي بين اسطوانتين متحدتي المركز، نسبة نصف القطر لهما تعادل 0.555 و بطول كلي m 1.2 ، بالوضع الأفقي، المائل(في حالة الجريان الثانوي باتجاه الجريان الرئيسي وفي حالة الجريان الثانوي عكس اتجاه الجريان الرئيسي)، و العمودي. سخنت الاسطوانة الداخلية تحت فيض حراري ثابت ، بينما عرّضت الاسطوانة الخارجية إلى درجة حرارة الجو. يتراوح معدّل رقم رينولدز Re في هذا البحث من 154 إلى 724 أما الفيض الحراري فيتغير من 93 W/m2 إلى 857 W/m2، و زوايا ميل التجويف الحلقي هي 0° (أفقي)، 20° ، 60° ، -20°، -60°، 90° (عمودي). بينت النتائج المستخرجة من البحث العملي لكل زوايا الميلان ان رقم نسلت الموقعي يزداد كلما ازداد الفيض الحراري وكذلك يزداد رقم نسلت الموقعي عند تغير زاوية ميل الانبوب الحلقي من الزوايا الموجبة (الجريان الثانوي باتجاه الجريان الرئيسي) الى الموقع الافقي وعند تغير زاوية ميل الانبوب الحلقي من الزوايا السالبة (الجريان الثانوي عكس اتجاه الجريان الرئيسي) الى الموقع الافقي. كما بينت النتائج العملية ان قيم رقم نسلت الموقعي في حالة (الجريان الثانوي باتجاه الجريان الرئيسي) هي اكبر منها في حالة (الجريان الثانوي عكس اتجاه الجريان الرئيسي) عند نفس رقم رينولدز والفيض الحراري المسلط.

Keywords

Mixed Convection --- Developing --- Laminar --- Concentric Annuli.