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 > $1.0{\times}10^7$.
Fakhar, Mohammad Hosein;Fakhar, Ahmad;Tabatabaei, Hamidreza
Steel and Composite Structures
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v.30
no.3
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pp.281-292
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2019
In this paper, analysis of critical fluid velocity and heat transfer in the nanocomposite pipes conveying nanofluid is presented. The pipe is reinforced by carbon nanotubes (CNTs) and the fluid is mixed by $AL_2O_3$ nanoparticles. The material properties of the nanocomposite pipe and nanofluid are considered temperature-dependent and the structure is subjected to magnetic field. The forces of fluid viscosity and turbulent pressure are obtained using momentum equations of fluid. Based on energy balance, the convection of inner and outer fluids, conduction of pipe and heat generation are considered. For mathematical modeling of the nanocomposite pipes, the first order shear deformation theory (FSDT) and energy method are used. Utilizing the Lagrange method, the coupled pipe-nanofluid motion equations are derived. Applying a semi-analytical method, the motion equations are solved for obtaining the critical fluid velocity and critical Reynolds and Nusselt numbers. The effects of CNTs volume percent, $AL_2O_3$ nanoparticles volume percent, length to radius ratio of the pipe and shell surface roughness were shown on the critical fluid velocity, critical Reynolds and Nusselt numbers. The results are validated with other published work which shows the accuracy of obtained results of this work. Numerical results indicate that for heat generation of $Q=10MW/m^3$, adding 6% $AL_2O_3$ nanoparticles to the fluid increases 20% the critical fluid velocity and 15% the Nusselt number which can be useful for heat exchangers.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.21
no.7
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pp.928-938
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1997
The end winding is an important part in induction motor for thermal analysis. But there is little information on the heat transfer coefficient of that surfaces because of geometrical complexity. So our experimental object is to know the heat transfer coefficient of end winding and find the optimum design parameter of rotor fan. Carbon coated papers were used for a uniform heat generating surfaces which were easy to fabricate. The experiments of some parameters were performed as varying rotation speed of rotor fan. We obtained the local and average Nusselt number of the end winding surfaces by correcting radiation and conduction losses errors. The results showed that the average Nusselt number increased with rotor fan blade number and width but decreased with end winding length. However, the increasing limits existed in the case of rotor fan width and blade number. So optimum design value were obtained for rotor fan width and blade numbers.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.18
no.9
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pp.729-737
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2006
Air-side forced convective heat transfer of a plate fin-tube heat exchanger is investigated by experimental measurement and numerical computation. The heat exchanger consists of staggered arrangement of refrigerant pipes of 10.2 m diameter and the pitch of fins is 3.5 m. In the experimental study, the forced convective heat transfer is measured at Reynolds number of 1082, 1397, 1486, 1591 and 1649 based on diameter of refrigerant piping and mean velocity. Average Nusselt number for the convective heat transfer coefficient is also computed for the same Reynolds number by commercial software of STAR-CD with standard $k-{\varepsilon}$ turbulent model. It is found that the relative errors of average Nusselt numbers between experimental and numerical data are less than 6 percentage in Reynolds number of $1082{\sim}1649$. The errors between experiment and other correlations are ranged from 7% to 32.4%. But the correlation of Kim at al is closest to the experimental data within 7% of the relative error.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.30
no.2
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pp.58-67
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2018
This study investigated the effect of variation in the angle of the elliptic cylinder as well as the presence of circular cylinder on natural convection inside a square enclosure. The Rayleigh number was varied between $10^3$ and $10^6$, and the Prandtl number was fixed to 0.7. In the present study, the angle of the elliptic cylinder was changed from $0^{\circ}$ to $90^{\circ}$, and the perimeter of the elliptic cylinder was same as that of the circular cylinder. The immersed boundary method was used to capture the virtual wall boundary of the inner cylinder. With the increasing angle of the elliptic cylinder, the surface-averaged Nusselt numbers on the cylinder and the enclosure increased. In the Rayleigh number range considered in the present study, the surface-averaged Nusselt number on the elliptic cylinder over = $45^{\circ}$ was higher than that of the circular cylinder. The effect of elliptic cylinder's angle on natural convection in the enclosure was analyzed according to the flow and thermal fields, and the distributions of the Nusselt number.
Steady laminar natural convection heat transfer from a square beam with a horizontal adiabatic plate has been studied numerically for various Grashof numbers and beam shapes. The heat transfer from a square beam increases as the dimensionless beam width W / L decreases. The mean Nusselt number of the upper surface is minimum at W / L = 1.0, maximum at W / L = 0.25 and that of the side surface is minimum at W / L = 0.25, maximum at W / L = 1.0. The increases of the total mean Nusselt number with increasing Grashof number is dominated by the beam width.
Numerical analyses have been carried out to analyze the three-dimensional turbulent heat transfer by impingement jet on a concave surface with variation of geometric configurations. Three-dimensional Reynolds averaged Navier-stokes equations have been calculated using the shear stress transport turbulent model. The numerical results for heat transfer rate were validated in comparison with the experimental data. The distance between jet nozzles and angle of inclined jet nozzle were selected as the geometric variables. Area-averaged Nusselt numbers on concave surface are evaluated to find the characteristics of heat transfer with the two geometric variables. The heat transfer increases as the distance between jet nozzles increases, and the inclined impinging jets show much better heat transfer performance than the vertical impinging jet.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.16
no.11
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pp.2111-2118
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1992
In this study, an analytic model is developed to predict Nusselt numbers for turbulent flow in a rod bundle. Flow channel area is divided into several element channels, and simple algebraic equations of universal velocity and temperature profiles are integrated over each element channel. The integral equations are then added to yield an analytic expression for the nusselt number of a rod bundle. The analytic model reasonably predicts the available heat transfer data.
The study of mixed convection in a room with heated bottom surface and various partitions has been numerically investigated using a finite volume method. The parameters studied here are, 50$\overline{Nu}=\overline{Nu_n}{\cdot}(1+c(Re/Gr^{1/2})^d)$, where $\overline{Nu_n}$ corresponds to pure natural convextion.
Because of good performance of heat transfer characteristics, impinging jets are widely used in many industries for cooling or heating. And the present num erical studies attempt to show the effects of impinging jet. This paper considers the application of the turbulent models to impinging jet flow with pulsed inlet. It is assumed two-dimensional turbulent flows. The jet Reynolds num ber is set at 23,000 and the distance from the exit of the nozzle to the plate is 3 times larger than the diam eter of the nozzle. The influence of the Strouhal num ber(pulsation frequency) on Nusselt number at the impinging region is investigated. Strouhal numbers are ranged 0.0 to 0.5 and the forcing amplitudes are 1%,5%,9% of mean inlet velocity. In this study, the Nusselt number at the impinging region is sensitive to the pulsation frequency. Heat transfer coefficient strongly increase at Strouhal num ber of 0.4.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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