A full-sized model for the horizontally oriented metal cask containing 21 spent fuel assemblies has been considered to evaluate the internal natural convection behavior within a dry shield canister (DSC) filled with helium as a working fluid. A variety of two-dimensional CFD numerical investigations using a turbulent model have been performed to evaluate the heat transfer characteristics and the velocity distribution of natural convection inside the canister. The present numerical solutions for a range of Rayleigh number values ($3{\times}10^6{\sim}3{\times}10^7$) and a working fluid of air are further validated by comparing with the experimental data from previous work, and they agreed well with the experimental results. The predicted temperature field has indicated that the peak temperature is located in the second basket from the top along the vertical center line by effects of the natural convection. As the Rayleigh number increases, the convective heat transfer is dominant and the heat transfer due to the local circulation becomes stronger. The heat transfer characteristics show that the Nusselt numbers corresponding to $1.5{\times}10^6$ < Ra < $1.0{\times}10^7$ are proportional to 0.5 power of the Rayleigh number, while the Nusselt numbers for $1.0{\times}10^7$ < Ra < $8.0{\times}10^7$ are proportional to 0.27 power of the Rayleigh number. These results agreed well with the trends of the experimental data for Ra > $1.0{\times}10^7$.
The natural convection heat transfers of a helical coil in a duct were measured experimentally varying the inclination. To achieve high Rayleigh number, mass transfer experiments instead of heat transfer experiments were performed based upon the analogy. The $Ra_D$ was fixed to $4.55{\times}10^6$. The turn numbers were 1~10. the pitch to diameter ratio were 1.3~5, and the inclination of the helical coil $0^{\circ}{\sim}90^{\circ}$. The measured $Nu_D$ for a single turn of the helical coil was very close to that from McAdams heat transfer correlation for a horizontal cylinder. The heat transfers of the helical coil were varied by the pith, number of turns, and duct height in a complex manner showing the velocity, chimney, and pre-heating effects. The results of the study contributes to the phenomenological analyses of the natural convection heat transfer of a compact heat exchanger.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.33
no.9
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pp.674-681
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2009
Turbulent mixed convection in heated vertical annulus is investigated using Direct Numerical Simulation (DNS) technique. The objective of this study is to find out the effect of buoyancy on turbulent mixed convection in heated vertical annulus. Downward and upward flows with bulk Reynolds number 8500, based on hydraulic diameter and mean velocity, have been simulated to investigate turbulent mixed convection by gradually increasing the effect of buoyancy. With increased heat flux, heat transfer coefficient first decreases and then increases in the upward flow due to the effect of buoyancy, but it gradually increases in downward flow. The mean velocity and temperature profiles can not be explained by the wall log laws due to the effect of buoyancy, too. All simulation results are in good quantitative agreement with existing numerical results and in good qualitative agreement with existing experimental results.
Combined convection and radiation heat transfer in a circular tube with circumferential fins and circular disks is investigated for various operating conditions. Using a finite volume technique for steady laminar flow, the governing equations are solved in order to study the flow and temperature fields. The P- 1 approximation and the weighted sum of gray gases model (WSGGM) are used for solving the radiation transport equation. The results show that the total Nusselt number of combined convection and radiation is higher than that of pure convection. If the temperatures of the combustion gas and the wall in a tube are high, radiation becomes dominant. Therefore, it is necessary to evaluate the effect of radiation on the total heat transfer.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.8
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pp.2079-2087
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1993
The effects of subcooling and natural convection are studied numerically on the melting process of an initially subcooled phase-change medium filled inside a horizontal circular cylinder. It is postulated that melting continues with the tube wall kept at a constant temperature and with the unmelted solid core fixed. Primary emphasis is placed on the evolution of interface morphology, the local/overall heat transfer rate at the tube wall and at the interface, and the structure of natural convection. The numerical results are mainly presented in terms of the Rayleigh and subcooling numbers. As the degree of subcooling intensifies, the melting rate and the movement of the interface are impeded but the interfaces are of similar shape with the passage of time. The heat transfer characteristics are found to be mostly governed by the formation pattern of natural convection in the liquid phase. Good agreement with available experimental data is found.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2004.05a
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pp.148-151
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2004
The hardening of concrete after setting is accompanied with nonlinear temperature distribution caused by development of hydration heat of cement. Especially at early ages, this nonlinear distribution has a large influence on the tensile cracking. As a result, in order to predict the exact temperature distribution in concrete structures it is required to examine thermal properties of concrete. In this study, the coefficient of air convection for concrete mix of nuclear power plant, which presents thermal transfer between surface of concrete and air, was experimentally investigated with variables such as velocity of wind and types of form. The coefficient of air convection obtained from experiment increases with velocity of wind, and its dependance on wind velocity is varied with types of form. This tendency is due to a combined heat transfer system of conduction through form and convection to air. The coefficient of air convection for concrete mix of nuclear power plant obtained from this study was well agreed with the existing models.
A numerical investigation is made of unsteady double-diffusive convection of a Boussinesq fluid in a rectangular cavity subject to time-periodic thermal excitations. The fluid is initially stratified between the top endwall of low solute concentration and the bottom endwall of high solute concentration. A time-dependent heat flux varying in a square wave fashion, is applied on one sidewall to induce buoyant convection. The influences of the imposed periodicity on double-diffusive convection are scrutinized. A special concern is on the occurrence of resonance that the fluctuations of flow and attendant heat and mass transfers are mostly amplified at certain eigenmodes of the fluid system. Numerical solutions are analyzed to illustrate the characteristic features of resonant convection.
Mixed convection in a horizontal annulus is considered, and the effect of a forced flow on the natural convective flow is investigated. The inner cylinder is hotter than the outer cylinder, and the outer cylinder is rotating with constant angular velocity with its axis at the center of the annulus. The unsteady streamfunction-vorticity equation is solved with a finite difference method. For the fluid with Pr=0.7, there appear flows with two eddies, one eddy, or no eddy according the Rayleigh and Reynolds numbers. The rotation of the outer cylinder reduces the heat transfer rate at the wall of the annulus. The oscillatory multicellular flow of a low Prandtl number fluid with Pr=0.01 can be effectively suppressed by the forced flow.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.4
no.2
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pp.65-71
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1992
In most absorption machines, absorption enhancement has been achieved by adding small amount of surfactant additive, which introduced the surface tension difference between absorbent and surfactant droplets in the vapor absorption. The aim of this study is to understand a basic mechanism of Marangoni convection and its effectiveness in the vapor absorption enhancement. In this study, nonflowing aqueous solution of LiBr 60 mass% was exposed to saturated water vapor under the condition that two dropwises surfactant were fixed on the absorbent surface. Our experiments achieved to visualize the enhanced heat and mass transfer phenomena by the effect of Marangoni convection through the laser holographic interferometry. Also, Marangoni convection behavior was obtained by using tracer method.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.21
no.4
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pp.551-561
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1997
Mixed convection of air in a horizontal concentric cylindrical annulus is investigated numerically. Isothermal boundary conditions are prescribed at the inner and outer cylinders, with the inner cylinder being warmer. The forced flow is induced by the outer cylinder which is rotating slowly with constant angular velocity with its axis at the center of the annulus. The effect of the forced flow on the flow pattern and heat transfer of natural convection is investigated for the annulus of (inner-cylinder radius/gap width) = 1. There appear two eddies, one eddy or no eddy according to the Rayleigh and Reynolds numbers. Map of the three flow regimes is constructed on the Ra-Re plane. (author). 28 refs., 9 figs., 2 tabs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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