Numerical and experimental study of steady and unsteady mixed convection flow in a cubical open cavity with the bottom wall heated

Abstract

En aquest estudi s'analitzen els experiments i simulacions numèriques del flux de convecció mixta en una cavitat cúbica situada a la part inferior d'un canal quadrat. Els nombres de Reynolds en funció de la velocitat mitjana del flux i l'amplada del canal estan en el rang 100≤Re≤1500 i el nombre de Richardson varia entre 0.1≤Ri≤10. La tècnica PIV s'ha utilitzat per a les mesures en un canal d'aigua. Simulacions numèriques Tridimensionals s’han dut a terme amb un codi de volums finits de segon ordre considerant l'aproximació de Boussinesq ja que, per les condicions experimentals utilitzades, la variació de les propietats físiques amb la temperatura no té influència significativa en la topologia general de flux. Per 100≤Re≤1500 i Ri≤0.1 el flux és estacionari i consisteix en un remolí situat a l’interior de la cavitat cúbica que mostra velocitats majors a mesura que augmenta el nombre de Richardson. El flux és no estacionari a Re = 100 i Ri = 10. Prop de les parets laterals es produeixen, de forma alternada, ejeccions de flux, des de l’interior de la cavitat cap al canal, mentre que el flux entra a la cavitat des del canal a través de la part central de la cavitat. S'ha utilitzat una tècnica de mostreig condicional per elucidar l’estructura mitjana de l'evolució del flux turbulent a Ri = 10. S'ha trobat que les ejeccions de flux persisteixen durant tot el rang de Reynolds analitzat. Els números de Nusselt calculats estan d'acord amb els de les correlacions reportades a la literatura, vàlides per cavitats bidimensionals

En este estudio se analizan los experimentos y simulaciones numéricas del flujo de convección mixta en una cavidad cúbica situada en la parte inferior de un canal de sección cuadrada cuadrado. Los números de Reynolds en función de la velocidad media del flujo y la anchura del canal están en el rango 100≤Re≤1500 y el número de Richardson varía entre 0.1≤Ri≤10. La técnica PIV se ha utilizado para las medidas en un canal de agua. Se han llevado a cabo simulaciones numéricas tridimensionales con un código de volúmenes finitos de segundo orden, considerando la aproximación de Boussinesq ya que, en las condiciones experimentales utilizadas, la variación de las propiedades físicas con la temperatura no tiene influencia significativa en la topología general de flujo. En los rangos 100≤Re≤1500 y Ri≤0.1 el flujo es estacionario y consiste en un remolino situado en el interior de la cavidad cúbica que muestra velocidades mayores a medida que aumenta el número de Richardson. El flujo es no estacionario a Re = 100 y Ri = 10. Cerca de las paredes laterales se producen de forma alternada eyecciones de flujo, desde el interior de la cavidad hacia el canal, mientras que el flujo entra en la cavidad desde el canal a través de la parte central de la cavidad. Se ha utilizado una técnica de muestreo condicional para elucidar la estructura media de la evolución del flujo turbulento a Ri = 10. Se ha encontrado que las eyecciones de flujo persisten durante todo el rango de Reynolds analizado. Los números de Nusselt calculados están de acuerdo con los de las correlaciones reportadas en la literatura, válidas para cavidades bidimensionales.

In this study we analyze experiments and numerical simulations of steady and unsteady mixed convection flow in a cubical cavity located at the bottom of a square channel. The Reynolds numbers based on the mean flow velocity and the channel width are in the range 100≤Re≤1500 and the Richardson numbers vary within 0≤Ri≤10. Particle Image Velocimetry has been used for the measurements in a water channel. Three-dimensional direct numerical simulations have been carried out with a second order finite volume code considering the Boussinesq approximation since, for the experimental conditions considered, the variation of the physical properties with temperature has no significant influence on the overall flow topology. For 100≤Re≤1500 and Ri≤0.1 the flow is steady and it consists in a single roll that exhibits larger velocities as the Richardson number is increased. An unsteady periodic flow is found at Re=100 and Ri=10. Alternate flow ejections from the cavity to the channel occur near the lateral walls while the flow enters the cavity from the channel through the central part of the cavity. A conditional sampling technique has been used to elucidate the evolution of the mean unsteady turbulent flow at Ri=10. It has been found that the alternate flow ejections persist for all the Reynolds analyzed. The computed Nusselt numbers are in general agreement with a previously reported correlation, valid for two dimensional cavities of different aspects ratios.