Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology
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v.17
no.6
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pp.231-237
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2007
For an aspect ratio (transport length-to-width) of 5, Pr=3.34, Le=0.078, Pe=4.16, Cv=1.01, $P_B=50$ Torr, only thermally buoyancy-driven convection ($Gr=4.83{\times}10^5$) is considered in this study in spite of the disparity in the molecular weights of the component A ($Hg_2Cl_2$) and B which would cause thermally and/or solutally buoyancy-driven convection. The crystal growth rate and the maximum velocity vector magnitude are decreased exponentially for $3{\le}Ar{\le}5$, for (1) adiabatic walls and (2) the linear temperature profile, with a fixed source temperature. This is related to the finding that the effects of side walls tend to stabilize convection in the growth reactor. The rate for the linear temperature profiles walls is slightly greater than for the adiabatic walls far varied temperature differences and aspect ratios. With the imposed thermal profile, a fixed source region, both the rate and the maximum velocity vector magnitude increase linearly with increasing the temperature difference for $10{\le}{\Delta}T{\le}50K$.
Natural convection is driven by the compositional buoyancy in solidification of a binary melt. The stabilities of convection in a growing mushy layer were analyzed here in the time-dependent solidification system of a near-eutectic melt cooled impulsively from below. The linear stability equations were transformed to self-similar forms by using the depth of the mushy layer as a length scale. In the liquid layer the stability equations are based on the propagation theory and the thermal buoyancy is neglected. The critical Rayleigh number for the mushy layer increases with decreasing the Stefan number and the Prandtl number. The critical conditions for solidification of aqueous ammonium chloride solution are discussed and compared with the results of the previous model for the liquid layer.
In devising a numerical approximation for the convective spatial transport of a fluid mechanical quantity, it is noted that the convective motion of a scalar quantity occurs in one-way, or from upstream to downstream. This consideration leads to a new scheme termed a pure upwind difference scheme (PUDS) in which an estimated value for a fluid mechanical quantity at a control surface is not influenced from downstream values. The formal accuracy of the proposed scheme is third order accurate. Two typical benchmark problems of a wall-driven fluid flow in a square cavity and a buoyancy-driven natural convection in a tall cavity are computed to evaluate performance of the proposed method. for comparison, the widely used simple upwind scheme, power-law scheme, and QUICK methods are also considered. Computation results are encouraging: the proposed PUDS sensitized to the convection direction produces the least numerical diffusion among tested convection schemes, and, notable improvements in representing recirculation of fluid stream and spatial change of a scalar. Although the formal accuracy of PUDS and QUICK are the same, the accuracy difference of approximately a single order is observed from the revealed results.
This paper is a continuation of a recent development on the Hermite-based divergence-free element method and deals with a non-isothermal fluid flow driven by the buoyancy force in a square cavity with temperature difference across the two sides. Two Hermite functions are considered for numerical computations in this paper. One is a cubic function and the other is a quartic function. The degrees-of-freedom of the cubic Hermite function are stream function and its first and second derivatives for the velocity field, and temperature and its first derivatives for the temperature field. The degrees-of-freedom of the quartic Hermite function include two second derivatives and one cross derivative of the stream function in addition to the degrees-of-freedom of the cubic stream function. This paper presents a brief review on the Hermite based divergence-free basis functions and its finite element formulations for the buoyancy driven flow. The present algorithm does not employ any upwinding or a stabilization term. However, numerical values and contour graphs for major flow variables showed good agreements with those by De Vahl Davis[6].
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.11
no.2
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pp.662-670
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2019
Tanker cargo tanks are equipped with the means of raising and maintaining the cargo discharge temperature to a suitable level. In this paper, a new heating coil design is proposed and analyzed. Contrary to conventional designs, wherein the heating coils are evenly distributed over the tank bottom, the proposed design arranges the heating coils in the central part of the tank bottom, in a vertical direction. Due to the intensive cargo circulation generated, a forced convection is superimposed on a buoyancy-driven natural convection, providing a more efficient mixed convection heat transfer mechanism. Numerical simulations performed by using a finite volume method show that in the case of 7-bar steam Bunker C heavy fuel oil heating, a five-hour circulation phase average heat transfer coefficient equals 199.2 W/m2K. This result might be taken as an impetus for the more thorough experimental examination.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.11
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pp.2999-3007
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1994
The unsteady numerical simulations have been presented for the laminar natural convection in a partially open compartment. Computations were performed within the domain of the compartment in order to show the thermal radiation and the partially opening effects on the flow fields and heat transfer characteristics. The results were shown for different Planck numbers(0.05~5) and opening ratios(0.25~0.75) being fixed with Ra=$10^5$ and Pr=0.71. Considering the flow which is buoyancy driven from the heated wall, and the buoyancy is not much affected by the further outside region from the opening, the numerical computations have been performed without an outer region by the particular boundary treatments on the flow velocity and temperature at the different partial openings. The confined numerical domain reduced the CPU time and the memory of computer. P-1 approximation of radiative transfer equation was employed with Marshak type boundary conditions along with the pseudo-black body approximation at the partial openings. The numerical results clearly show that the natural convective flow and heat transfer are much affected by increase of thermal radiation particularly from the initial state. When thermal radiation is not much affecting the flow ($PL{\le}1$), it was found that thermal radiation effects are almost negligible.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.16
no.6
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pp.1179-1194
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1992
QUICKER scheme has several attractive properties. However, under highly convective conditions, it produces overshoots and possibly some oscillations on each side of steps in the dependent variable when the flow is convected at an angle oblique to the grid line. Fortunately, it is possible to modify the QUICKER scheme using non-linear and linear functional relationship. Details of the development of polynomial upwinding scheme are given in this paper, where it is seen that this non-linear scheme has also third order accuracy. This polynomial upwinding scheme is used as the basis for the SHARPER and SMARTER schemes. Another revised scheme was developed by partial modification of QUICKER scheme using CDS and UPWIND schemes(QUICKUP). These revised schemes are tested at the well known bench mark flows, Two-Dimensional Pure Convection Flows in Oblique-Step, Lid Driven Cavity Flows and Buoyancy Driven Cavity Flows. For pure convection oblique step flow test problem, QUICKUP, SMARTER and SHARPER schemes remain absolutely monotonic without overshoot and oscillation. QUICKUP scheme is more accurate than any other scheme in their relative accuracy. In high Reynolds number Lid Driven Cavity Flow, SMARTER and SHARPER schemes retain lower computational cost than QUICKER and QUICKUP schemes, but computed velocity values in the revised schemes produced less predicted values than QUICKER scheme which is strongly effected by overshoot and undershoot values. Also, in Buoyancy Driven Cavity Flow, SMARTER, SHARPER and QUICKUP schemes give acceptable results.
Numerical investigation is made to study the effects of natural convection on the formation of macrosegregation of a Pb-Sn alloy solidification process in a 2-D confined rectangle mold. The governing equations are calculated using previous continuum models with SIMPLE algorithm doring the solidification process. In addition. to track the solid-liquid interface with time variations. the moving boundary condition Is adopted and irregular interface shapes are treated with Boundary-Fitted Coordinate system. As the temperature reduce from the liquidus to the solidus, the liquid concentration of Sn. the lighter constituent, increases. Then the buoyancy-driven flow due to temperature and liquid composition gradients, called thermosolutal convection or double diffusion, occurs in the mushy region and forms the complicated macrosegregation maps. Related to this phnomena, effects on the macrosegregation formation depending on the cooling condition and gravity values are described.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.25
no.10
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pp.1337-1345
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2001
Numerical investigation is made to study the effects of thermosolutal convection on the formation of macrosegregation in a Pb-Sn alloy solidification process in a two dimensional confined rectangluar mold. The basic equations are sovled using the Contrinum Model theory with the SIMPE algorithm during the solidification process. In addition, to track the liquid-solid interface with time variations, the moving boundary condition was adopted and moving irregular interface shapes were treated with the time-dependent, boundary-fitted coordinate system. As the temperature reduces from the liquidus to the solidus, the liquid concentration of Sn, the lighter constituent, increases. Then the buoyancy-driven flow due to temperature and liquid composition gradients occurs in the mushy region and forms the complicated macrosegregation maps. belated to this phenomena, effects on the macrosegregation formation depending on the cooling condition and gravity values are examined.
Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology
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v.17
no.6
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pp.256-263
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2007
For $P_B=50Torr,\;P_T=5401Torr,\;T_S=450^{\circ}C,\;{\Delta}T=20K$, Ar=5, Pr=3.34, Le=0.01, Pe=4.16, Cv=1.05, adiabatic and linear thermal profiles at walls, the intensity of solutal convection (solutal Grashof number $Grs=7.86{\times}10^6$) is greater than that of thermal convection (thermal Grashof number $Grt=4.83{\times}10^5$) by one order of magnitude, which is based on the solutally buoyancy-driven convection due to the disparity in the molecular weights of the component A ($Hg_2Cl_2$) and B (He). With increasing the partial pressure of component B from 20 up to 800 Torr, the rate is decreased exponentially. It is also interesting that as the partial pressure of component B is increased by a factor of 2, the rate is approximately reduced by a half. For systems under consideration, the rate increases linearly and directly with the dimensionless Peclet number which reflects the intensity of condensation and sublimation at the crystal and source region. The convective transport decreases with lower g level and is changed to the diffusive mode at $0.1g_0$. In other words, for regions in which the g level is $0.1g_0$ or less, the diffusion-driven convection results in a parabolic velocity profile and a recirculating cell is not likely to occur. Therefore a gravitational acceleration level of less than $0.1g_0$ can be adequate to ensure purely diffusive transport.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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