Magnetohydrodynamic Three-Dimensional Couette Flow of a Maxwell Fluid with Periodic Injection/Suction

A mathematical model for magnetohydrodynamic (MHD) three-dimensional Couette flow of an incompressible Maxwell fluid is developed and analyzed theoretically. The application of transverse sinusoidal injection at the lower stationary plate and its equivalent removal by suction through the uniformly moving upper plate lead to three-dimensional flow. Approximate solutions for velocity field, pressure, and skin friction are obtained. The effects of flow parameters such as Hartmann number, Reynolds number, suction/injection parameter, and the Deborah number on velocity components, skin friction factors along main flow direction and transverse direction, and pressure through parallel porous plates are discussed graphically. It is noted that Hartmann number provides a mechanism to control the skin friction component along the main flow direction

Turbulent transport of heat and momentum in a boundary layer subject to deceleration, suction and variable wall temperature

The relationship between the turbulent transport of heat and momentum in an adverse pressure gradient boundary layer was studied. An experimental study was conducted of turbulent boundary layers subject to strong adverse pressure gradients with suction. Near-equilibrium flows were attained, evidenced by outer-region similarity in terms of defect temperature and defect velocity profiles. The relationship between Stanton number and enthalpy thickness was shown to be the same as for a flat plate flow both for constant wall temperature boundary conditions and for steps in wall temperature. The superposition principle used with the step-wall-temperature experimental result was shown to accurately predict the Stanton number variation for two cases of arbitrarily varying wall temperature. The Reynolds stress tensor components were measured for strong adverse pressure gradient conditions and different suction rates. Two peaks of turbulence intensity were found: one in the inner and one in the outer regions. The outer peak is shown to be displaced outward by an adverse pressure gradient and suppressed by suction

ANALYSIS OF ENTROPY GENERATION DUE TO MAGNETOHYDRODYNAMIC COUPLE STRESS FLUID

We demonstrate the first reconfigurable photonic metamaterial controlled by electrical currents and magnetic fields, providing first practically useful solutions for sub-megahertz and high contrast modulation of metamaterial optical properties

Wind-Induced Pressures in Air Permeable, Double-Layer Roof Systems in Regions of Separated Flow

This thesis is concerned with the wind-induced pressure distribution acting on air permeable, double-layer roof systems placed on low-rise buildings. Because of the pressure transmission into the cavity between layers, the pressure difference in the double-layer systems differs significantly from that in a single layer. The interior pressures (in the cavity between layers) are highly correlated with external pressures at the openings on the external surface of the outer layer and thereby, the net wind load for the design of the outer layer is considerably reduced by the pressure equalization between the external and internal surfaces of the outer layer. Examples of the outer layer in practice are loose-laid roof pavers and solar panel arrays on roofs, and rainscreen walls. The objective of this thesis is to characterize and model how the cavity pressures between layers are related to the external pressures and the outer layer and cavity geometries. First, experimental studies were conducted to investigate the detailed cavity pressure distributions, the correlation with external pressures and effects of geometric parameters within the double-layer system. Wind tunnel experimental data on a model of a low-rise building in an open country terrain were used and in total, 39 configurations consisting of six different heights of the panels above the roof surface (H which is the gap between layers), six different gaps between panels (G) and three additional configurations with a larger panel size (L) were examined. It was found in these experiments that the pressure distributions on the internal surface of panels are significantly affected by the geometric parameters. An analytical model was developed to simulate one-dimensional pressure distributions in the cavity, given external pressure data and the geometric parameters. The model was derived considering the pressure drops associated with the flow through the gaps between panels, which is like an orifice flow, and the cavity flow between parallel plates. Thus, the model uses two primary equations: the unsteady discharge equation and the equation for unsteady flow between two parallel plates. The model accounts for several geometric parameters including the gap (G) between the panels, the height (H) of the cavity between the layers, the length (L) of the panels and the thickness (lo) of the panels, as well as the loss coefficients for the orifice and cavity flows. The proposed model is able to capture the fluctuations of cavity pressures and a good agreement is found between the numerical and experimental results for the mean, RMS and peak coefficients, to a great extent, when spanwise-averaged external pressure coefficients are used as input. The analytical model was further validated with wind tunnel test data on a more practical problem which consists of 12 rows of photovoltaic panels placed within all roof zones, from the separation region, the reattachment point, up to the leeward region of the roof. The model captures fluctuations of the cavity pressure, although there are slight differences between the numerical and experimental data, in particular, on panels at the leading edge and in the reattachment regions. Lastly, the thesis discusses how the analytical model can be used as a tool to design compartments for such air permeable, double-layer systems

Discrete Modeling of Heat Conduction in Granular Media

This thesis addresses heat conduction in granular systems both under static and slow flow conditions with and without the presence of astagnant interstitial fluid. A novel discrete simulation technique for granular heat transfer, the Thermal Particle Dynamics (TPD) method hasbeen developed. By modeling particle-particle interactions, bed heterogeneities -- e.g., mechanical and thermal -- are directly accountedfor and transient temperature distribution are obtained at the particle level. This technique, based on the Discrete Element Method, not onlysheds light on fundamental issues in heat conduction in particulate systems, but also provides a valuable test-bench for existingcontinuous theories. Computational results, as well as supporting experiments coupled with existing theoretical models are used to probethe validity of the proposed simulation technique. Studies on heat conduction through static beds of particles indicate that stress and contact heterogeneities -- due primarily to theexistence of localized ``chains' of particles which support the majority of an imposed load (stress chains) -- may cause dramaticchanges in the way that heat is transported by conduction. It is found that by matching the microstructure of an experimental system onlyqualitatively, quantitatively accurate estimates of effective properties are possible, without requiring adjustable parameters. Onekey result in this study reveals that an important consideration has been missing from previous granular conduction studies -- the stressdistribution in the particle bed. Extensions of TPD to incorporate the ability to model heat transfer in particulate systems in the presenceof an interstitial fluid indicate that a good qualitative and quantitative agreement between measured and calculated values of theeffective thermal conductivity for a wide variety of materials in the presence of both liquid and/or gas are possible. Simulation results for slow granular flows -- e.g., simple shear cell and a rotating drum -- indicate that in both cases there is anenhancement of the effective thermal conductivity with increase in the shear rate due to enhanced mixing of the particles. These results arein agreement with previous theoretical and experimental investigations. In contrast to the behavior found at high shear rates, where the thermal conductivity is proportional to the shear rate, a complex non-linear relation is found for the effective conductivity in granular flows at low shear rates. This observation has not beenpreviously reported. It is argued that a balance between heat conduction and convection is necessary to explain these observations

Thermal Lattice Boltzmann Methods for the Simulation of Turbulent Flows with Conjugate Heat Transfer – Application to Refrigerated Vehicles

In dieser Arbeit wird eine thermische Lattice-Boltzmann-Methode (TLBM) für die instationäre Simulation turbulenter Strömungen mit natürlicher Konvektion und konjugierter Wärmeübertragung vorgestellt. Turbulente Strömungen mit ihren chaotischen Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen stellen eine besondere Herausforderung für numerische Simulationen dar, wobei turbulente Strömungen, angetrieben durch thermische Auftriebskräfte, eine besonders schwierige Aufgabe darstellen. Wie in dieser Arbeit gezeigt wird, ermöglicht TLBM Large Eddy Simulationen (LES) solcher Probleme im industriellen und technischen Maßstab unter Verwendung eines Smagorinsky-Feinstruktur-Modells und unter Ausnutzung seiner intrinsischen Parallelisierbarkeit sowie der Möglichkeit, mehrere tausend Prozessorkerne zu verwenden. Die Eignung der vorliegenden Methode wird in dieser Arbeit anhand von Anwendungen zur Simulation der Innenluftströmung und der Isolationseffizienz eines Kühlwagens, des Wärmetransports im Luftspalt zwischen Rotor und Stator bei Elektromotoren, der Weiterentwicklung hocheffizienter Isolation auf der Basis von Vakuumisolationspaneelen (VIP) und Latentwärmespeichern sowie deren Anwendung in Kühlwagen gezeigt. Eine umfassende Validierung der Methode und ihrer Implementierung im Open-Source-Framework OpenLB wird durchgeführt. Gitterkonvergenz zweiter Ordnung wird gegen das analytische Porous Plate Problem demonstriert, während stabile Simulationen auch bei grober Diskretisierung mit hohen Reynolds- und Rayleigh-Zahlen erreicht werden. Eine sehr gute Übereinstimmung wird für natürliche Konvektion in einem quadratischen Hohlraum, ein bekannter Benchmark-Fall, vom laminaren zum turbulenten Regime mit 10^3 <= Ra <= 10^10 und bei Auflösungen von y+ ~ 2 gezeigt. Im ersten Teil der Ergebnisse werden Simulationen eines leeren Kühlaufbaus für einen Kühllastwagen vorgestellt. Das Strömungsfeld und der Wärmeübergang innerhalb eines gegebenen Kühllastwagens zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen, insbesondere den experimentellen Daten für ein Kühlfahrzeug bei Re ~ 53000 an vier charakteristischen Geschwindigkeits- und 13 Temperaturpositionen im Lastwagen. Die Wärmeübertragung durch die Wände wird in den Simulationen durch konjugierte Wärmeübertragung aufgelöst. Dies ermöglicht nun die präzise Vorhersage von Wärmeströmen nahe von Nusselt-Korrelationen für den gegebenen Aufbau, aber - im Gegensatz zu gewöhnlichen Nusselt-Korrelationen - wird der Wärmestrom in der Simulation räumlich aufgelöst. Im zweiten Teil der Ergebnisse wird die Strömung und der Wärmeübergang in einem Ringspalt mit innen rotierendem Zylinder untersucht. Die besondere Herausforderung bei der Simulation dieser Taylor-Couette-Strömung ist die Bildung von Taylor-Wirbeln, die durch ihre Rotation senkrecht zur Hauptströmungsrichtung den entsprechenden Wärmeübergang deutlich erhöhen. Detaillierte instationäre Simulationen werden über einen weiten Drehzahlbereich von fast schleichender Strömungen bis hin zum Auftreten von Taylor-Wirbeln durchgeführt. Es wird eine gute Übereinstimmung mit bisherigen Ergebnissen für die Strömungsstrukturen und die Verbesserung des Wärmeübergangs durch Taylor-Wirbel festgestellt. Insbesondere wird die vorliegende Methode mit Messungen, einer Korrelation und Simulationen unter Verwendung des Scherspannungstransport-Turbulenzmodells (SST) verglichen. Besonderes Augenmerk wird auf die Vorhersage der kritischen Taylor-Zahl gelegt. Während direkte numerische Simulationen (DNS) mit LBM die kritische Taylor-Zahl aus den Experimenten nahezu identisch vorhersagen, wird sie von LBM-LES leicht und vom SST-Modell weiter überschätzt, was auf die übermäßig dissipative Natur der Turbulenzmodelle für die Transition zurückzuführen ist. Im dritten Teil der Ergebnisse werden innovative Konzepte für verbesserte, nachhaltigere Kühlfahrzeuge numerisch untersucht. Um den Kraftstoffverbrauch und die damit verbundenen Emissionen zu reduzieren, werden zwei Ansätze als vielversprechend angesehen: (a) der Einbau von Vakuum-Isolationspaneelen (VIP) in die Wände des Kühlkoffers und (b) die Einführung eines Latentwärmespeichers (LHS) zum Austausch der kraftstoffbetriebenen Klimaanlage (AC). Die Verwendung des vorliegenden TLBM erlaubt in den Simulationen die Auflösung der durch die AC und die natürliche Konvektion induzierten turbulenten Luftströmung, des Wärmeflusses innerhalb der Isolierwände und der tiefgefrorenen Ladung. Dies liefert neue Erkenntnisse über den Einfluss der Konzepte auf die Wärmeübertragung in verschiedenen Kühlaufbauten. Die Simulationen zeigen einen stark reduzierten und homogenisierten einströmenden Wärmestrom für das kombinierte PUR- und VIP-Isoliermaterial im Vergleich zu einer reinen PUR-Isolierung. Die Dämmung des Kühlaufbaus mit VIPs halbiert daher die erforderliche Kühlenergie. Dies ermöglicht den Ersatz der AC durch einen LHS in Dachnähe und ein zusätzliches Lüftungssystem mit deutlich geringerer Gesamtleistung. Unter Berücksichtigung der Temperaturhomogenität von Tiefkühlprodukten wird eine leichte Umströmung des Kühlgutes als notwendig erachtet. Die maximal zulässige Ausfallzeit der AC wird in den Simulationen mit jeweils ca. 3,3 min (PUR), 8 min (PUR+VIP) und 11 min (PUR+VIP+LHS) ermittelt. Im vierten Teil der Ergebnisse wird eine LBM zur Simulation des Schmelzens und des konjugierten Wärmeübergangs auf der Basis des Transports der Gesamtenthalpie vorgestellt, welche bei Validierung gegen die analytische Lösung des zeitabhängigen Stefan-Problems präzise Ergebnisse liefert. Die in dieser Arbeit entwickelte Methode zeigt geringe Grenzflächendiffusion für einen weiten Bereich von Relaxationszeiten und Stefan-Zahlen. Weiterhin wird eine enge Übereinstimmung für das Schmelzen von Gallium einschließlich der natürlichen Konvektion in 2D und 3D mit Messungen und Simulationen mit unterschiedlichen Ansätzen gezeigt. Das Modell wird ferner auf das Schmelzen von Paraffin in zwei komplexen Metallschaumgeometrien angewendet. Es wird eine Voxel-basierte parallele Vernetzung vorgestellt, die eine schnelle und automatisierte Verarbeitung der komplexen Geometrie in wenigen Minuten ermöglicht. Die Simulationen erfassen erfolgreich den materialübergreifenden Wärmetransfer in 3D, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Schaums mehr als 1000-mal größer als die des Paraffins ist. Die Form der Schmelzfront und der Einfluss der spezifischen Oberfläche der verschiedenen Metallschäume stehen in enger Übereinstimmung mit früheren Simulationen