Flow and Mixed Convection with Heat Transfer Around a Square Cylinder

Abstract

The influence of opposing buoyancy on the laminar flow field and heat transfer characteristic is investigated across a square cylinder in a vertical channel numerically. “Opposing flow” means that the buoyancy flow and fluid motions are in opposite directions. The working fluids are air (Pr = 0.7) and water (Pr = 7). The flow and heat transfer simulations were changed with Reynolds number (100 and 200) and under various Richardson numbers (from 0 to 0.5). The numerical analysis was carried out by Ansys-Fluent software. The effect of buoyancy was incorporated into the Navier-Stokes equations using the Boussinesq approximation. Unsteady mixed convection heat transfer and fluid flow characteristics such as Nusselt number, Strouhal number, the drag and lift coefficient were obtained for each case. Also, the isotherms were depicted for each simulation. It was observed that the Strouhal number, the mean drag coefficient and Nusselt number decreased with the decrease of the Richardson number; but, CL,rms increased.

Özet

Engelleyici yüzdürme kuvvetinin laminer rejim şartlarında akış ve ısı transferi özelliği üzerindeki etkisi, dikey kanaldaki bir kare silindir boyunca sayısal olarak incelenmiştir. Engelleyici akış, akış hareketleri ile doğal taşınımdan kaynaklanan yüzdürme kuvvetlerinin zıt yönlü olması anlamına gelmektedir. Çalışma ortamı akışkanı olarak hava (Pr=0.7) ve su (Pr=7) seçilmiştir. Akış ve ısı transferi analizleri Reynolds (Re = 100, 150 ve 200) ve Richardson sayıları (-0.5 ≤ Ri ≤ 0) değiştirilerek elde edilmiştir. Sayısal çalışmanın çözümü Ansys/Fluent ticari yazılımı ile gerçekleştirilmiştir. Yüzdürme kuvvetleri etkilerini incelemek için Boussinesq yaklaşımının kullanıldığı Navier-Stokes denklemleri çözdürülmüştür. Geçici rejimde tümleşik taşınımda ısı ve akış karakteristiklerini incelemek için Nusselt sayısı, Strouhal sayısı, sürüklenme ve kaldırma katsayısı her bir durum için elde edilmiştir. Ayrıca eş sıcaklık eğrileri her bir simülasyon için çizdirilmiştir. Richardson sayısının azalması ile Strouhal sayısı, ortalama sürüklenme katsayısı ve ortalama Nusselt sayısının azaldığı, ortalama kaldırma kuvveti katsayısının arttığı gözlemlenmiştir.