A numerical optimization has been carried out to determine the shape of the three-dimensional channel with oblique ribs attached on both walls to enhance turbulent heat transfer. The response surface based optimization is used as an optimization technique with Reynolds-averaged Navier-Stokes analysis of fluid flow and heat transfer. Shear stress transport (SST) turbulence model is used as a turbulence closure. Numerical results fur heat transfer rate show good agreements with experimental data. four dimensionless variables such as, rib pitch-to-rib height ratio, rib height-to-channel height ratio, streamwise rib distance on opposite wall to rib pitch ratio, and the attack angle of the rib are chosen as design variables. The objective function is defined as a linear combination of heat-transfer and friction-loss related coefficients with a weighting factor. D-optimal method is used to determine the training points as a means of design of experiment. Sensitivity of the objective parameters to each design variable has been analyzed. And, optimal values of the design variables have been obtained in a range of the weighting factor.
The present study numerically investigates the flow and heat transfer characteristics of rib-induced secondary flow in a cooling channel with staggered V-shaped ribs, extruded on both walls. The rib-height-to-hydraulic diameter ration (h/$D_h$) is 0.17; the rib pitch-to-height ratio (p/h) equals 2.8; the Reynolds number is 50,000. Shear stress transport (SST) turbulence model is used as a turbulence closure. The present results are compared with those for a continuous V-shaped rib. Computational results show that, for average heat transfer rate the staggered V-shaped rib gives about 2.5 times higher values than the continuous V-shaped rib, while, for the streamwise pressure drop the former gives about 5 times higher values than the latter. Consequently, for the thermal performances, based on the equal pumping power condition, the staggered one gives about 2 times higher values than the continuous one. Also, for the staggered V-shaped rib, complex secondary flow patterns are generated in the duct due to the snaking flow in the streamwise direction, and more uniform heat transfer distributions are obtained.
Enthalpy transport in a pulse tube was investigated by two-dimensional analysis of mass, momentum and energy equations assuming that the axial temperature gradient in the pulse tube is constant. Time-averaged second-order conservation equations of mass, momentum and energy were used to show the existence of steady mass streaming and enthalpy streaming. Effects of axial temperature gradient, velocity amplitude ratio and heat transfer between the gas and the wall on the steady mass streaming and enthalpy streaming were shown. Enthalpy loss due to the steady mass streaming is zero for basic and orifice pulse tube refrigerators, but it is proportional to the axial temperature gradient and steady mass flow rate through a pulse tube for double inlet pulse tube refrigerators.
International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration
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제7권
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pp.33-44
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1999
Enthalpy transport in a pulse tube was investigated by two-dimensional analysis of mass, momentum and energy equations assuming that the axial temperature gradient in the pulse tube was constant. The time-averaged second-order conservation equations of mass, momentum and energy were used to show the existence of steady mass and enthalpy streaming. Effects of the axial temperature gradient, velocity amplitude ratio, and heat transfer between the gas and the tube wall On the steady mass and enthalpy streaming were shown. Enthalpy loss due to the steady mass streaming is zero for basic and orifice pulse tube refrigerators, but it is proportional to the axial temperature gradient and steady mass flow rate through a pulse tube for double inlet pulse tube refrigerators.
Abrar, Muhammad N.;Haq, Rizwan Ul;Awais, Muhammad;Rashid, Irfan
Nuclear Engineering and Technology
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제49권8호
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pp.1680-1688
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2017
In this study, analysis is performed on entropy generation during cilia transport of water based titanium dioxide nanoparticles in the presence of viscous dissipation. Moreover, thermal heat flux is considered at the surface of a channel with ciliated walls. Mathematical formulation is constructed in the form of nonlinear partial differential equations. Making use of suitable variables, the set of partial differential equations is reduced to coupled nonlinear ordinary differential equations. Closed form exact solutions are obtained for velocity, temperature, and pressure gradient. Graphical illustrations for emerging flow parameters, such as Hartmann number (Ha), Brinkmann number (Br), radiation parameter (Rn), and flow rate, have been prepared in order to capture the physical behavior of these parameters. The main goal (i.e., the minimizing of entropy generation) of the second law of thermodynamics can be achieved by decreasing the magnitude of Br, Ha and ${\Lambda}$ parameters.
Soot particles emitted from combustion processes are often coated by non-absorbing organic materials, which enhance the global warming effect of soot particles. It is of importance to study the condensation characteristics of soot particles experimentally and theoretically to reduce the uncertainty of the climate impact of soot particles. In this study, the condensational growth of soot particles in a tubular coater was modeled by a one-dimensional (1D) plug flow model and a two-dimensional (2D) laminar flow model. The effects of 2D heat and mass transports on the predicted particle growth were investigated. The temperature and coating material vapor concentration distributions in radial direction, which the 1D model could not accounted for, affected substantially the particle growth in the coater. Under the simulated conditions, the differences between the temperatures and vapor concentrations near the wall and at the tube center were large. The neglect of these variations by the 1D model resulted in a large error in modeling the mass transfer and aerosol dynamics occurring in the coater. The 1D model predicted the average temperature and vapor concentration quite accurately but overestimated the average diameter of the growing particles considerably. At the outermost grid, at which condensation begins earliest due to the lowest temperature and saturation vapor concentration, condensing vapor was exhausted rapidly because of the competition between condensations on the wall and on the particle surface, decreasing the growth rate. At the center of the tube, on the other hand, the growth rate was low due to high temperature and saturation vapor concentration. The effects of Brownian diffusion and thermophoresis were not high enough to transport the coating material vapor quickly from the tube center to the wall. The 1D model based on perfect radial mixing could not take into account this phenomenon, resulting in a much higher growth rate than what the 2D model predicted. The result of this study indicates that contrary to a previous report for a thermodenuder, 2D heat and mass transports must be taken into account to model accurately the condensational particle growth in a coater.
Effect of external heating rate on the conversion efficiency for the steam reforming of methanol is investigated numerically considering both heat and mass transfer of the species in a packed bed microreactor. In a results from the numerical simulation, the conversion efficiency of methanol has been obtained for the external heating rate. The axial variation of mole fraction of methanol has been additionally presented for several cases of external heating rates. The results show that for the constant inlet temperature condition the conversion efficiency of methanol increases with external heating rate over the range of operating conditions.
In this study temperature distribution and gas flow inside a planetary type reactor in which a number of satellites on a spinning susceptor were rotating were analyzed using numerical simulation. Effects of flow rates on gas flow and temperature distribution were investigated in order to obtain design parameters. The commercial computational fluid dynamics software CFD-ACE+ was used in this study. The multiple-frame-of-reference was used to solve continuity, momentum and energy conservation equations which governed the transport phenomena inside the reactor. Kinetic theory was used to describe the physical properties of gas mixture. Effects of the rotation speed of the satellites was clearly seen when the inlet flow rate was small. Thickness of the boundary layer affected by the satellites rotation became very thin as the flow rate increased. The temperature field was little affected by the incoming flow rate of precursors.
A numerical procedure for optimizing the shape of three-dimensional channel with V-shaped ribs extruded on both walls has been carried out to enhance the turbulent heat transfer. The response surface based optimization is used as an optimization technique with Reynolds-averaged Wavier-stoked analysis. Shear stress transport (SST) turbulence model is used as a turbulence closure. Computational results for average heat transfer rate show good agreements with experimental data. The objective function is defined as a linear combination of heat transfer and friction loss-related terms with a weighting factor. Three dimensionless variables such as, rib pitch-to-rib height ratio, rib height-to-channel height ratio, and the attack angle of the rib are chosen as design variables. Nineteen training points obtained by D-optimal designs for three design variables construct a reliable response surface. In the sensitivity analysis, it is found that the objective function is most sensitive to the ratio of rib height-to-channel height ratio. And, optimal values of design variables have been obtained in a range of the weighting factor.
A study of thermophoretic particle deposition has been carried out for a particle laden stagnation flow considering the effect of radiative heat transfer. Energy, concentration and radiative transfer equations are all coupled and have been solved iteratively assuming that absorption and scattering coefficients were proportional to the local concentration of particles. Radiative heat transfer was shown to strongly affect the profiles of temperature and particle concentration. e. g., radiation increases the thickness of thermal boundary layer and wall temperature gradients significantly. As the wall temperature gradients increase, the particle concentration at the wall decreases due to thermophoretic particle transport. The deposition rate that is thermophoretic velocity times particle concentration at the wall decreases as the effects of radiation increases. The effects of optical thickness, conduction to radiation parameter and wall emissivity have been determined. The effects of anisotropic scattering are shown as insignificant.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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