Mixed convection flow in narrow vertical ducts

The mixed convection flow in a vertical duct is analysed under the assumption that , the ratio of the duct width to the length over which the wall is heated, is small. It is assumed that a fully developed Poiseuille flow has already been set up in the duct before heat from the wall causes this to be changed by the action of the buoyancy forces, as measured by a buoyancy parameter . An analytical solution is derived for the case when the Reynolds numberRe, based on the duct width, is of 0 (1). This is extended to the case whenRe is 0 (^–1) by numerical integrations of the governing equations for a range of values of representing both aiding and opposing flows. The limiting cases, || 1 andR=Re of 0 (1), andR and both large, with of 0 (R ^1/3) are considered further. Finally, the free convection limit, large with R of 0 (1), is discussed.

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Mischkonvektion in engen senkrechten Rohren

Zusammenfassung Mischkonvektion in einem senkrechten Rohr wird unter der Voraussetzung untersucht, daß das Verhältnis der Rohrbreite zur Länge, über welche die Wand beheizt wird, klein ist. Es wird angenommen, daß sich bereits eine voll entwickelte Poiseuille-Strömung in dem Rohr eingestellt hat, bevor Antriebskräfte, gemessen mit dem Auftriebsparameter , aufgrund der Wandbeheizung die Strömung verändern. Es wird eine analytische Lösung für den Fall erhalten, daß die mit der Rohrbreite als charakteristische Länge gebildete Reynolds-ZahlRe konstant ist. Dies wird mittels einer numerischen Integration der wichtigsten Gleichungen auf den FallRe =f (^–1) sowohl für Gleich- als auch für Gegenstrom ausgedehnt. Weiterhin werden die beiden Grenzfälle betrachtet, wenn || 1 undR=Re konstant ist, sowieR und beide groß mit proportionalR ^1/3. Schließlich wird der Grenzfall der freien Konvektion, großes mit konstantem R, diskutiert.

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Nomenclature g acceleration due to gravity - Gr Grashof number - G modified Grashof number - h duct width - l length of the heated section of the duct wall - p pressure - Pr Prandtl number - Q flow rate through the duct - Q ₀ heat transfer on the wally=0 - Q ₁ heat transfer on the wally=1 - Re Reynolds number - R modified Reynolds number - T temperature of the fluid - T ₀ ambient temperature - T applied temperature difference - u, velocity component in thex-direction - v, velocity component in they-direction - x, co-ordinate measuring distance along the duct - y, co-ordinate measuring distance across the duct - buoyancy parameter - ₀ modified buoyancy parameter, ₀=R ^–1/3 - coefficient of thermal expansion - ratio of duct width to heated length, =h/l - (non-dimensional) temperature - _w applied temperature on the wally=0 - kinematic viscosity - density of the fluid - ₀ shear stress on the wally=0 - ₁ shear stress on the wally=1 - stream function