Turbulent convective heat transfer in thin vertical fluid layers
DOI:
https://doi.org/10.17072/1994-3598-2016-1-18-24Abstract
Turbulent Rayleigh-Benard convection in bounded vertical layers is studied in numerical simulations. The influence of layer thickness on convective heat transfer is investigated in detail. In this work we study the ability of two-dimensional and quasi-two-dimensional mathematical models to describe the characteristics of heat transfer in the thin layers. These models require much less computing resources in comparison to three-dimensional direct numerical simulations of turbulent convection. Three statements of the problem are considered: two-dimensional (2D), three-dimensional (3D) and quasi-two-dimensional (Q2D). The Q2D model uses the modified 2D equations, which are derived from the 3D Boussinesq equations under the assumption of a laminar transverse velocity profile. The 2D and Q2D simulations were performed using our own code, whereas the 3D simulations were carried out using open source CFD software OpenFOAM Extend 3.1. It is shown that the flow structure strongly affects the Nusselt number value. In thin layers the convective heat transfer increases despite a decrease in the intensity of the large-scale flow. It is shown, that the friction on lateral boundaries, even in frame of a rough model of linear friction, which was used in the Q2D simulations strongly affects the structure of the turbulent convective flow, changes its local and integral characteristics. The comparison with 3D numerical results demonstrates that the Q2D results qualitatively reproduce the dependence of the Nusselt number on the layer thickness, but underestimate the values of the Nusselt numbers by 30%. Also 2D results reveal poor correlation with the real structure of fluid flow in the domain for any aspect ratio.Received 26.01.2016; accepted 10.02.2016References
Ahlers G., Grossmann S., Lohse D. Heat transfer and large scale dynamics in turbulent Rayleigh-Benard convection. Reviews of Modern Physics, 2009, vol. 81, pp. 503–537.
Putin G. F., Tkacheva E. A. Experimental investigation of supercritical convective motions in a Hele-Shaw cell. Fluid Dynamics, 1979, vol. 14, no. 1, pp. 1–5.
Vasil’ev A. Y., Frick P. G. Reversals of large-scale circulation in turbulent convection in rectangular cavities. Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters, 2011, vol. 93, pp.330–334.
Huang S.-D., Kaczorowski M., Ni R., Xia K.-Q. Confinement-induced heat-transport enhancement in turbulent thermal convection. Physical Review Letters, 2013, vol. 111, no. 10, 104501.
Sugiyama K., Ni R., Stevens R. J. A. M., Chan T. Sh., Zhou Sh.-Q., Xi H.-D., Sun Ch., Grossman S., Xia K.-Q., Lohse D. Flow reversals in thermally driven turbulence. Physical Review Letters, 2010, vol. 105, no. 3, 034503.
Aristov S. N., Frick P. G. Large-scale turbulence in a thin layer of nonisothermal rotating fluid. Fluid Dynamics, 1988, vol. 23, no. 4, pp. 522–528.
Aristov S. N., Frick P. G. Large-scale turbulence in Rayleigh–Bénard convection. Fluid Dynamics, 1989, vol. 24, no. 5, pp. 690–695.
Aristov S. N., Frick P. G. Nonlinear effects of the ekman layer on the dynamics of large-scale eddies in shallow water. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 1991, vol. 32, p. 189–194.
Dolzhanskii F. V., Krymov V. A., Manin D. Y. An advanced experimental investigation of quasi-two-dimensional shear flows. Journal of Fluid Mechanics, 1992, vol. 241, pp. 705–722.
Teymurazov A. S., Vasiliev A. Y., Frick P. G. 2D and quasi-2D DNS of turbulent convection in vertical layers. Computational Continuum Mechanics, 2012, vol. 5, no. 4, pp. 405–414 (In Rus-sian).
Barannikov V. A., Frik P. G., Shaidurov V. G. Spectral characteristics of two-dimensional turbulent convection in a vertical slot. Journal of Ap-plied Mechanics and Technical Physics, 1988, vol. 29, p. 196–200.
Bizon C., Werne J., Predtechensky A. A., Julien K., McCormick W. D., Swift J. B., Swinney H. L. Plume dynamics in quasi-2D turbulent convection. Chaos, 1997, vol. 7, pp. 107–124.
Stevens R. J. A. M., Verzicco R., Lohse D. Radial boundary layer structure and Nusselt number in Rayleigh–Benard convection. Journal of Fluid Mechanics, 2010, vol. 643, pp. 495–507.
Gavrilov K. A., Demin V. A., Popov E. A. Lifting regimes of thermal plumes in vertical layer. Computational Continuum Mechanics, 2013, vol. 6, no. 3, pp. 261–268 (In Russian).
Teimurazov A. S., Frick P. G. Numerical study of molten magnesium convection in the apparatus for titanium reduction. Computational Continuum Mechanics, 2015, vol. 8, no. 4, pp. 433–444 (In Russian).
Chandra M., Verma M. K. Flow reversals in turbulent convection via vortex reconnections. Physical Review Letters, 2013, vol. 110, no. 11, 114503.
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
License
Автор предоставляет Издателю журнала (Пермский государственный национальный исследовательский университет) право на использование его статьи в составе журнала, а также на включение текста аннотации, полного текста статьи и информации об авторах в систему «Российский индекс научного цитирования» (РИНЦ).
Автор даёт своё согласие на обработку персональных данных.
Право использования журнала в целом в соответствии с п. 7 ст. 1260 ГК РФ принадлежит Издателю журнала и действует бессрочно на территории Российской Федерации и за её пределами.
Авторское вознаграждение за предоставление автором Издателю указанных выше прав не выплачивается.
Автор включённой в журнал статьи сохраняет исключительное право на неё независимо от права Издателя на использование журнала в целом.
Направление автором статьи в журнал означает его согласие на использование статьи Издателем на указанных выше условиях, на включение статьи в систему РИНЦ, и свидетельствует, что он осведомлён об условиях её использования. В качестве такого согласия рассматривается также направляемая в редакцию справка об авторе, в том числе по электронной почте.
Редакция размещает полный текст статьи на сайте Пермского государственного национального исследовательского университета: http://www.psu.ru и в системе OJS на сайте http://press.psu.ru
Плата за публикацию рукописей не взимается. Гонорар за публикации не выплачивается. Авторский экземпляр высылается автору по указанному им адресу.
