Investigation of heat transfer in moving liquid column

Abstract

In this study, the heat transfer from a surface heated with constant heat flux to an oscillating vertical annular liquid column having an interface with the atmosphere is investigated experimentally and numerically. The reciprocating motion of water column is created using a piston cylinder mechanism. The space-cycle heat transfer rate from heater to water was calculated by using experimental measurements. The analysis was carried out for the case of different oscillation frequencies while the displacement amplitude remains constant. Based on the experimental data a correlation equation was obtained for the cycle-averaged Nusselt number as a function of kinetic Reynolds number. Heat transfer in the moving liquid column was also investigated numerically using the FLUENT program. Fluent uses a control-volume-based technique to convert the governing equations to algebraic equations that can be solved numerically. This control volume technique consists of integrating the governing equations about each control volume, yielding discrete equations that conserve each quantity on a control-volume basis. It is clear that heat transfer rate depends on velocity and temperature profile. The numerical results reveal that there is a phase difference between hydrodynamic boundary layer and core flow, which improves the heat transfer. The averaged heat transfer rate is found to increase with the frequency. The space-cycle averaged Nusselt number was found numerically and. compared with experimental results. The numerical solution is in good agreement with the experimental data.

Özet

Bu çalışmada, halkasal zorlanmış salınımlı akışta ısı geçişi deneysel ve sayısal olarak incelenmektedir. Halkasal kesit içinde akışkan bir piston-silindir düzeneği ile farklı frekans, genlik ve ısı yükünde titreştirilmektedir. Deneyler farklı ısı akıları ve frekanslar için yapılmış olup bu frekanslara karşılık gelen Nusselt sayıları bulunarak, boyutsuz sayılar cinsinden bir korelasyon eşitliği ile verilmektedir. Ayrıca sonlu hacimler ayrıklaştırma yöntemine göre çözüm yapan FLUENT yazılımı kullanılarak Hareketli Sıvı Kolonunda ısı geçişi sayısal olarak da incelenmektedir. Yapılan incelemelerde, sıvı içerisindeki hız ve sıcaklık dağılımı elde edilerek ısı geçiş mekanizması açıklanmaktadır. Isı geçişinde etkili olan mekanizmanın akışın merkezini takip edemeyen hidrodinamik sınır tabakadan kaynaklandığı ve bunun ısı geçişini artırdığı anlaşılmıştır. Sayısal çözüm içinde bir çevrimde suya geçen ısı için Nusselt sayıları bulunarak deneysel sonuçlarla karşılaştırılmaktadır.