Upper limit of enhancement of boiling heat transfer in a narrow vertical rectangular channel due to passing bubbles

An experimental study has been made of saturated boiling heat transfer for water and R113 in a narrow vertical rectangular channel (2 mm space, 20 mm wide, and 200 mm long) at atmospheric pressure, in which the vertical heated surface (10 mm long and 20 mm wide) is located on one side at a position of 150 mm from its entrance and bubbles are forcibly passed through it at a designated period from 0.33 to 1.0 sec. The experiment shows that the heat transfer coefficients are increased by the bubble passing through the heated surface for the value of thermal diffusivity,a, times period, T₀, of the passing bubbles above about 6×10^–9 m² (a T ₀>6×10^–9 m²) while fora T ₀< 6×10^–9 m², the heat transfer coefficients become independent of the period and the effectiveness of the enhancement of the heat transfer owing to the passing bubble disappears.

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Die obere Grenze der Verbesserung des Wärmeübergangs beim Sieden in einem vertikalen, rechteckigen Kanal infolge von aufsteigenden Blasen

Zusammenfassung Es wurden Experimente über den Wärmeübergang beim Sättigungssieden mit Wasser und R113 in einem engen, vertikalen, rechteckigen Kanal (2 mm Abstand, 20 mm Breite und 200 mm Länge) bei Umgebungsdruck durchgeführt, wobei die vertikale, beheizte Oberfläche (10 mm lang und 20 mm breit) auf der einen Seite in einem Abstand von 150 mm vom Eintritt angeordnet ist und die Blasen zwangsweise durch den Kanal sich mit einem Periodenabstand von 0,033 bis 1,0 s bewegen. Das Experiment zeigt, daß die Wärmeübergangskoeffizienten durch das Vorbeistreichen der Blasen an der beheizten Oberfläche verbessert werden, wenn das Produkt aus Temperaturleitfähigkeit,a, mal der Periode, T₀, der vorbeistreichenden Blasen größer als 6×10^–9 m² liegt, während unterhalb dieses Wertes der Wärmeübergangskoeffizient unabhängig von der Blasenperiode ist und die Effektivität der Wärmeübergangsverbesserung infolge der Blasenströmung verschwindet.

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Nomenclature a thermal diffusivity of liquid - ¯h time-averaged heat transfer coefficient - q _w heat flux at wall - T ₀ period of passing bubble - T _w(t) temperature of heated surface - T _w amplitude of heated surface temperature Greek symbols thermal conductivity - thickness of liquid film     

Analogie zwischen dem konvektiven Wärmeübergang und dem Massenaustausch bei querangeströmten Rohrbündeln

Zusammenfassung Es wurden die Verhältnisse der empirisch ermittelten Nusselt- und Sherwoodzahlen bei querangeströmten Membran- und Glattrohrbündeln errechnet. Auf Grund dessen ist die Analogiefunktion=Nu/Sh statistisch abgeschätzt und mit den Analogien von Chilton-Colburn und Jayatillaka verglichen worden.

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Analogy between convective heat and mass transfer in tube banks

An attempt is made to compare the mass and heat transfer for the flow normal to the finned and conventional i.e. plain tube banks. The comparison is based upon experimental results for various staggered and in-line arrangements of the tubes. The statistically determined analogy factor=Nu/Sh is compared with Chilton-Colburn and Jayatillaka analogies.

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Formelzeichen Le=Sc/Pr Lewiszahl - Nu= ₁ d/ Nusseltzahl - Pr=/a Prandtlzahl - Re=w d/v Reynoldszahl - Sc=/D _A Schmidtzahl - Sh= _Ad/_A Sherwoodzahl - a Temperaturleitzahl - d Außendurchmesser des Rohres - D_A kinematische Diffusionszahl - s _l Längsteilung - s _q Querteilung - w Geschwindigkeit im engsten Querschnitt zwischen den Rohren (A-A, Bild 1) - ₁ Wärmeübergangszahl - _A Stoffübergangszahl - _A dynamische Diffusionszahl - =Nu/Sh Analogiefunktion - _l=s_i/d _q=s_q/d     

Boundary element simulations of spheres settling in circular,square and triangular conduits

Numerical simulations of a spherical particle sedimenting in circular, triangular and square conduits containing a viscous, inertialess, Newtonian fluid were investigated using the Boundary Element Method (BEM). Settling velocities and pressure drops for spheres falling along the centre-lines of the conduits were computed for a definitive range of sphere sizes. The numerical simulations for the settling velocities showed good agreement with existing experimental data. The most accurate analytic solution for a sphere settling along the axis of a circular conduit produced results which were almost indistinguishable from the present BEM calculations. For a sphere falling along the centre-line of a square conduit, the BEM calculations for small spheres agreed well with analytic results. No analytic results for a sphere falling along the axis of a triangular conduit were available for comparison. Extrapolation of the BEM predictions for the pressure drops, to infinitely small spheres, showed remarkable agreement with analytic results. For the circular conduit, the sphere's settling velocity and angular velocity were computed as a function of drop position for small, medium and large spheres. Excellent agreement with a reflection solution was achieved for the small sphere. In addition, end effects were investigated for centre-line drops and compared where possible with available experimental data and analytic results.Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, New Mexico, USA.     

Incipient behaviour of gelatin gels

The present work describes isothermal (25°C) gelation measurements for gelatin gels over a range of concentrations. Methods for the estimation of the gel time are discussed, and data compared with two recent models. The isothermal time growth of modulus is also investigated, and the superposition of such data discussed. For concentrations close to the critical gel concentration C ₀ there are significant deviations in the latter case. These may be related to the approach to the biphasic region of the phase diagram suggested by other workers.     

The mechanism of polymer thread drag reduction

One very effective method of reducing the drag of a turbulent fluid flow is through the use of soluble, viscoelastic, long-chain, high-molecular-weight polymer additives. These additives have produced drag reduction of up to 80% in pipe flows. Polymers are typically added by injecting high concentration solutions into an established Newtonian flow.This study investigated the mechanism of drag reduction that occurs when a long-chain, high-molecular-weight polymer is injected along the centerline of a pipe with a concentration high enough to form a single, coherent, unbroken thread. In the present experiments, the unbroken threads existed for more than 200 pipe diameters downstream of the injector and produced drag reductions on the order of 40%. Previous authors have contended that this type of drag reduction is caused by the interaction of the thread with the outer flow. However, it has been proven in cases where the polymer is mixed throughout the flow that drag reduction requires the existence of polymer in the near-wall region. The objective of this study was to test the hypothesis that drag reduction from a polymer thread is caused by transport of polymer molecules from the thread into the near-wall region of the pipe. The objective was realized through the measurement of the drag reduction, the radial location of the thread, and the polymer concentration in the near-wall region. The concentration was measured by laser-induced fluorescence utilizing fluorescein dye as the tracer. This study provides strong evidence that the drag reduction from a polymer thread is caused by the transport of very low concentrations of polymer from the thread into the near-wall region.     

Polymer contribution to the thermal conductivity and viscosity in a dilute solution (Fraenkel Dumbbell model)

The phase-space kinetic theory for polymeric liquid mixtures is used to obtain an expression for the polymer contribution to the thermal conductivity of a nonflowing, dilute solution of polymers, where the polymer molecules are modeled as Fraenkel dumbbells. This theory takes into account three mechanisms for the energy transport: diffusion of kinetic energy (including the Öttinger-Petrillo term), diffusion of intramolecular energy, and the work done against the intramolecular forces. This paper is an extension of previous developments for the Hookean dumbbell model and the finitely-extensible dumbbell model. A comparison among the dumbbell results suggests that the thermal conductivity increases with chain stiffness. In addition, the zero-shear-rate viscosity and first normal-stress coefficient are also given for the Fraenkel dumbbell model.Dedicated to Prof. John D. Ferry on the occasion of his 85th birthday.     

Turbulent jet flows with buoyancy and swirl

Übersicht Das gleichzeitige Auftreten von Auftrieb und Drall in vertikalen, runden, turbulenten Freistrahlen wird mit einer Integralmethode untersucht. Durch Hinzunahme der Bewegungs- und Energiegleichung an der Strahlachse kann auf die Verwendung eines empirischen Entrainmentkoeffizienten verzichtet werden. Es zeigt sich, daß zwischen Druck- und Axialgeschwindigkeitsprofilen eine ganz bestimmte Beziehung bestehen muß, um unrealistische Singularitäten im Strömungsfeld zu vermeiden. Die Beziehung wird durch Meßergebnisse annähernd bestätigt. Der Einfluß des Dralls auf alle Strömungsgrößen ist in der Nähe des Ursprungs am stksten. Eine Zunahme der dimensionslosen Drallzahl bewirkt eine starke Aufwertung des Strahls mit 180° Öffnungswinkel im Ursprung und eine Abnahme der axialen Geschwindigkeit. Im Grenzfall sehr hoher Drallzahlen entsteht eine neue Strahlströmung, die als drallbehafteter, auftriebserzeugter Strahl bezeichnet wird. Stromabwärts klingen die Dralleffekte rasch ab und Auftriebseffekte nehmen an Bedeutung zu. Das asymptotische Verhalten entspricht einem auftriebserzeugten Strahl (plume).

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Turbulent jet flows with buoyancy and swirl

Summary Vertical, round, turbulent jets with combined effects of buoyancy and swirl are investigated by an integral method. The method avoids application of an empirical entrainment coefficient by including the differential equations of motion and energy at the jet axis. It is shown that pressure and velocity profiles have to be related to each other in order to avoid unrealistic singularities in the flow field. This relationship is approximately confirmed by measurements. With respect to all flow quantities, the influence of swirl is felt strongest near the origin. Increasing the dimensionless swirl number strongly increases the width of the jet (with infinite derivative at the origin) and decreases the axial velocity. In the limiting case of very high swirl numbers a new type of jet flow is found which can be called a swirling plume. Further, downstream swirl effects decay rapidly and buoyancy becomes relatively more important. The asymptotic behaviour resembles that of a plume.

     

The discrete Babuška-Brezzi condition

Summary In the treatment of saddle point problems with finite elements a discrete Babuka-Brezzi condition is encountered. We demonstrate what this discrete Babuka-Brezzi condition entails and explain the mechanical background of this somewhat abstract inf sup condition.

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Die diskrete Babuka-Brezzi-Bedingung

Übersicht Behandelt man Sattelpunktprobleme mit Finiten Elementen, dann stößt man auf eine diskrete Babuka-Brezzi Bedingung. Wir zeigen, welche Rolle diese diskrete Babuka-Brezzi-Bedingung bei der numerischen Behandlung spielt und verdeutlichen den mechanischen Hintergrund dieser etwas abstrakten inf sup Bedingung.

     

Wärmeübergang bei erzwungener turbulenter Strömung in Ringspalten und örtlich beliebig veränderlichen Randbedingungen zweiter Art

Zusammenfassung Das Problem des Wärmeübergangs bei turbulenter Strömung in konzentrischen Ringspalten wird für den dreidimensionalen Fall theoretisch gelöst, wobei die Wandwärmestromdichte sowohl in azimutaler als auch in axialer Richtung beliebig variiert. Die Lösung der Energiegleichung erfolgt mit der klassischen Methode der Superposition und Trennung der Variablen, wobei das dabei auftretende Sturm-Liouvillesche Eigenwertproblem numerisch gelöst wird. Zur Lösung werden Verteilungen für die Geschwindigkeit und anisotropen turbulenten Austauschgrößen verwendet, die mit dem phänomenlogischen Turbulenzmodell von Ramm berechnet wurden. Ergebnisse werden über einen weiten Bereich der Reynolds-Zahl (10⁴ Re 10⁶), der Prandtl-Zahl (0 Pr 100) und für verschiedene Radienverhältnisse diskutiert.

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Turbulent forced convection heat transfer in annuli with arbitrarily varying boundary conditions of second kind

The problem of turbulent flow heat transfer in concentric annuli is analysed for the general threedimensional case in which the wall heat flux varies arbitrarily in both the circumferential and axial directions. The energy equation is solved using the classical method of superposition and separating variables, where the resulting Sturm-Liouville problem are evaluated numerically. The solution is based on velocity profiles and anisotropic thermal turbulent transport properties evaluated by Ramm's phenomenological turbulence model. Results are discussed over a wide range of Reynolds number (10⁴ Re 10⁶), Prandtl number (0 Pr 100) and radius ratio.

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Bezeichnungen a,b Fourierkoeffizienten - B geometrische Funktion, [s(1-r) + r]/(1–s) - C Koeffizienten - D hydraulischer Durchmesser, 2(r₂ – r₁) - E Energietransportfunktion - f axiale Wärmestromdichteverteilung - F azimutale Wärmestromdichteverteilung - g radiale Temperaturfunktion - l Kanallänge - L dimensionslose Kanallänge, 1/D - M axialer Temperaturgradient im thermisch ausgebildeten Bereich - n harmonischer Parameter - Nu Nusselt-Zahl - Pe Péclet-Zahl - Pr Prandtl-Zahl - q Wärmestromdichte - Q dimensionslose Wärmestromdichte, q/q₀ - r dimensionslose radiale Koordinate, (R-r₁)/(r₂-r₁) - r₁,r₂ innerer und äußerer Ringspaltradius - R radiale Koordinate - Re Reynolds-Zahl - s Ringspaltverhältnis, r₁/r₂ - T dimensionslose Temperatur, 2· · (-_E/(D· q₀ - u dimensionslose Geschwindigkeit, U/U_m - U Geschwindigkeit - x dimensionslose axiale Koordinate, X/D - X axiale Koordinate - Wärmeübergangskoeffizient - _un modifizierter Eigenwert - halber Segmentwinkel - turbulente Austauschgröe - Temperatur - dimensionslose Temperaturdifferenz, T - T_m - Wärmeleitfähigkeit - _un Eigenwerte - kinematische Viskosität - azimutale Koordinate - Eigenfunktionen Indizes e thermischer Einlauf - E Eintritt bei x=0 - H Wärme - i Bedingung an der i-ten benetzten Oberfläche (i=1 – Innenrohr, i=2 - Außenrohr) - j Bedingung, wenn nur an der j-ten Oberfläche des Ringspaltes die Wärme übertragen wird (j=1,2) - ij Bedingung an der i-ten Oberfläche, wenn nur an der j-ten Oberfläche des Ringspaltes die Wärme übertragen wird (ij=11, 12, 22, 21) - m mittel - n Ordnung der Harmonischen - r radiale Richtung - u Ordnung des Eigenwertproblems - azimutale Richtung - 0 umfangskonstant - thermisch ausgebildet     

Investigation of the heat transfer mechanism in supersonic turbulent boundary layers

A method is described for calculating turbulent Prandtl numbers from Mach number and total temperature profiles in supersonic boundary layers. The calculations are based on boundary layer measurements in the Mach number range from 3.5 to 5. The investigations clearly indicate that in addition to accurate profile measurements reliable values of shear stress and heat flux at the wall must exist, in order to be able to calculate the turbulent Prandtl number in the viscous regime of the boundary layer. For flow conditions with and without heat transfer, the derived turbulent Prandtl numbers indicate that the turbulent transport of heat decreases much faster towards the wall than the turbulent transport of momentum. The results of the analysis show that only the unequivocal qualitative result of increasing turbulent Prandtl numbers in the viscous region of the boundary layer, can be expected. The variation of the turbulent Prandtl number can be described successfully using a simple approximation, based on the mixing length concept, and is applied to the calculation of total temperature distribution using the law of the wall for compressible flow.