Stability of free convection in air-filled horizontal annuli: influence of the radius ratio

International audienceLinear stability of two-dimensional natural convection in air-filled horizontal annuli is numerically investigated for radius ratios in the range 1.2 less than or equal to R less than or equal to 3 and for Rayleigh numbers less than 10(4). Bifurcation diagrams are obtained for various radius ratios and the main thresholds are tracked as a function of R. A new instability mode has been highlighted which breaks the symmetry of the basic flow. This result demonstrates the need of modeling the annular gap without assuming flow symmetry. In addition to bifurcation maps drawn in the Rayleigh number-radius ratio plane, a map of possible flow patterns is also established. This map allows to foresee the number of solutions and the corresponding flow structures. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved

Stability analysis of natural convective flows in horizontal annuli: effects of axial and radial aspect ratios

International audienceLinear stability analyses for two-dimensional natural convection in horizontal air-filled annuli are performed for three-dimensional perturbations and radius ratios in the range 1.2 ≤ R ≤ 3. Flow transitions from moderate to large gap annuli, which have not been reported before, are thoroughlyinvestigated. As a result, stability diagrams are obtained for finite and for infinite length annuli. The leading disturbances and threshold values are found to agree well with experimental data and three-dimensional numerical solutions. Three-dimensional simulations were also carried out toexamine the influence on the flow stability of no-slip boundary conditions at the end walls

GAS FLOWS WITH HEAT TRANSFER IN MICRO CHANNELS: CLARIFICATIONS ABOUT THE NUSSELT NUMBER

International audienceThis paper deals with the modelling of weakly rarefied and dilute gas flows in heated micro channels by the continuum approach, valid for Knudsen numbers smaller than about 0.1. The first order slip and thermal jump model usually used for the forced convection of gas flows in long micro channels between two infinite plates is discussed. Indeed, in the huge literature related to this subject, it appears that simplified models are often used without justifying them and recurrent errors propagate from one paper to the other. The erroneous models particularly concern the heat transfer analysis and the energy equation. The compatibility of the pressure work and viscous dissipation in the energy equation with the power of the viscous forces at the walls and the choice of an appropriate Nusselt number are particularly discussed. Our aim is to provide a consistent model for gaseous micro-flows and the linked heat transfer. Then, a dimensional and asymptotic analysis is performed in the context of long micro channels. An analytical solution for the temperature field and the Nusselt number is proposed in the case of a compressible gas flow in a long micro-channel maintained at a constant wall temperature. This solution is compared with the numerical solution of the full model taking into account the first order slip and thermal jump conditions at the walls, the power of the viscous forces in the wall heat flux, the thermal creep term, the pressure work and the viscous dissipation in the bulk. The vanishing values of the Nusselt number measured in the experiments by Demsis et al. (2009, 2010) are explained for the first time

Etude numérique de l'effet de la vitesse de glissement sur la perméabilité et la conductivité de dispersion de milieux micro-poreux

Des milieux dont la taille du volume d'étude représentatif est de l'ordre du micron sont étudiés numériquement. Nous moyennons les solutions afin de déterminer des propriétés macroscopiques. On met en évidence que les propriétés effectives sont modifiées dans les milieux micro-poreux lorsque les conditions de glissement sont prises en compte. Les équations de conservation sont résolues pour différentes configurations géométriques (de 1D à 3D) et conditions de chauffage, puis les moyennes de phase sont calculées. Quelques géométries typiques sont considérées dans le cas d'écoulements d'air

Novel Analytical and Numerical Methods in Heat Transfer Enhancement and Thermal Management

1Dipartimento di Ingegneria Industriale, Universita degli Studi di Napoli Federico II, 80125 Napoli, Italy 2Laboratoire de Modelisation et Simulation Multi Echelle, Equipe Transferts de Chaleur et de Matiere, Universite PARIS-EST, 77454 Marne-la-Vallee Cedex 2, France 3School of Energy and Power Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an, Shaanxi 710049, China 4Laboratory of Steam Boilers andThermal Plants, School of Mechanical Engineering, National Technical University of Athens, Zografou, 15780 Athens, Greece 5Mechanical and Aerospace Engineering Department, Rutgers, the State University of New Jersey, Piscataway, NJ 08854-8058, US

Optimal plate spacing for mixed convection from an array of vertical isothermal plates

International audienceNumerical simulations of mixed convection of air between vertical isothermal surfaces were conducted in order to determine the optimum spacing corresponding to the peak heat flux transferred from an array of isothermal, parallel plates cooled by mixed convection. Comparisons between approximate analytical solutions for natural and forced convection are first discussed. It is shown that the agreement is fairly good. From the computations carried out for aiding mixed convection by assuming a pressure drop at the outlet section rather than a constant flow rate, it is numerically predicted that the optimum spacing is smaller than those for pure natural or pure forced convection. This spacing is determined according to the pressure drop. As a sample, we considered an array of 10 cm -height, isothermal surfaces at temperature T-h = 340 K with air as the working fluid entering into the channels at T-0 = 300 K. The increases in heat flux corresponding to the optimal spacing are discussed for outlet pressure drops ranging from -0.1 Pa to -1 Pa. Such a range covers the entire laminar mixed convection regime for this specific application

Simulation numérique d'écoulements anisothermes de gaz en micro canal : effets de compressibilité et de glissement

L’étude des écoulements et des transferts thermiques dans des micro-conduites a suscité un nombre considérable de travaux au cours des dernières années. Dans le cas d’écoulements de gaz dans des micro-conduites dont le diamètre correspond à un nombre de Knudsen compris entre 0,01 et 0,1 (diamètre de l’ordre de 5 µm pour de l’air à pression atmosphérique et à température ambiante), on peut montrer que les nombres de Reynolds et de Péclet varient entre 10-2 et 10 lorsque la longueur de la conduite est comprise entre 100 µm et 1 mm et lorsque les variations de pression sont de l’ordre d’un bar. La modélisation numérique de ce type d’écoulement nécessite de prendre en compte les effets de glissement, les effets de compressibilité mais également les effets de diffusion dominants lorsque Re et Pe sont inférieurs à l’unité. Dans cette communication, nous analysons ces trois effets en considérant une micro-conduite plane à parois épaisses et conductrices (épaisseur e, conductivité thermique ks). On traite le cas de parois non-chauffées, afin d’étudier plus particulièrement les effets de détente, ou bien le cas de parois chauffées uniformément. On étudie les effets de la variation de la masse volumique, du libre parcours moyen et de la conduction dans les parois dans une gamme de valeurs des paramètres réalistes (10-2 ≤ Re, Pe ≤ 10, 10 ≤ e/D ≤ 100, 30 ≤ ks/ka ≤ 500) pour des écoulements d’air de conductivité ka. Les équations de conservation pour un gaz parfait, écrites sous la forme compressible, sont résolues numériquement par une méthode de volumes finis. Des conditions de glissement dynamique et thermique du premier ordre le long des parois sont prises en compte. Les solutions sont comparées à des résultats expérimentaux et à des approximations analytiques publiées récemment et correspondant à de faibles différences de pression

Etude numérique des écoulements de convection naturelle et mixte dans un espace annulaire horizontal (approche par analyse de stabilité linéaire)

PARIS-EST Marne-la-Vallee-BU (774682101) / SudocSudocFranceF

Simulations numériques d'un jet rond turbulent et de son interaction avec un tourbillon de sillage

Le contexte général de cette étude concerne l impact des traînées de condensation, ces fameux panaches blancs fréquemment observés dans le sillage des avions, sur l atmosphère. D un point de vue aérodynamique, la formation des traînées de condensation se caractérise par l interaction entre un jet turbulent et un tourbillon de sillage. L objectif de cette thèse est de contribuer à une meilleure compréhension des phénomènes thermiques et dynamiques mis en jeu dans cet écoulement. Ce travail repose sur la résolution numérique des équations de Navier-Stokes, et de conservation de l énergie, formulées pour le cas d un écoulement tridimensionnel, instationnaire et compressible. Deux approches sont considérées: la simulation numérique directe et la simulation des grandes échelles. Une simulation temporelle de la transition à la turbulence d un jet rond non-isotherme est effectuée sans tenir compte du champ tourbillonnaire. A l issue de cette simulation, un modèle de tourbillon de sillage est superposé à l écoulement de jet. La première partie de cette thèse présente les deux approches, les différents modèles de sous-maille choisis pour les simulations des grandes échelles, ainsi que les méthodes numériques employées. La deuxième partie est consacrée à la simulation de l écoulement de jet, et ici, l objectif est de déterminer le modèle de sous-maille approprié à cette configuration d écoulement. La troisième partie est dédiée à la simulation de l interaction entre le jet et le tourbillon de sillage. Les résultats sont comparés à ceux issue d une campagne d essais. Les simulations ont démontré le développement de grosses structures de la turbulence autour du cœur tourbillonnaire, dans lesquelles se concentre le champ de températureThe general context of this study concerns the impact of contrails, these famous white plumes frequently observed in the aircraft wake, on the atmosphere. From an aerodynamic point of view, the formation of the contrails is characterised by the interaction between a turbulent jet and a wing-tip vortex. The aim of this thesis is to contribute to a better understanding of the thermal and dynamic phenomena involved in this flow. This work is based on the numerical resolution of the three-dimensional, unsteady and compressible Navier-Stokes and energy conservation equations. Two approaches are considered: the direct numerical simulation and the large eddy simulation. A temporal simulation of the transition to turbulence of a non-isothermal jet is performed without accounting for the vortex flow field. A the end of this simulation, a vortex model is superimposed on the jet flow field. The first part of this thesis describes the two approaches, the different subgrid models chosen for the large eddy simulations, and the numerical techniques employed. The second part is devoted to the jet flow simulation, and here the objective is to determine the subgrid model appropriated to this flow configuration. The third part is dedicated to the simulation of interaction between the jet and the vortex. Results are compared to experimental data. The simulations have demonstrated the development of large scale structures all around the vortex core. The temperature field concentrates in the large scale structuresPARIS-EST Marne-la-Vallee-BU (774682101) / SudocSudocFranceF

Modélisation et simulation numérique de la convection naturelle dans des mélanges binaires de gaz parfaits contenus dans des cavités (application à la condensation ou à lévaporation surfaciques)

L'objectif de c e mémoire est d'apporter une contribution à la modélisation et la simulation numérique de la convection thermosolutale de mélanges binaires de gaz parfaits contenus dans des cavités. Un modèle a été élaboré en se basant sur l'approximation de faible compressibilité. Le premier chapitre précise la démarche suivie dans la modélisation et une formulation originale en est déduite afin de traiter les différents types de conditions aux limites et de conditions de références hydrostatiques analysés dans le mémoire. Les variations de masse volumique sont déduites de la loi des gaz parfaits et la pression thermodynamique est calculée à partir de la conservation de la masse totale. La méthode numérique repose sur la méthode des volumes finis mise en uvre sur des maillages décalés. Le couplage vitesse-pression est traité par un nouvel algorithme dont l'efficacité est discutée en détail. La démarche numérique est validée via des comparaisons avec des solutions de références, en régime stationnaire comme en régime transitoire pour des écoulements transitionnels. Dans la seconde partie du mémoire, on considère d'abord la convection thermosolutale dans une cavité rectangulaire verticale dans le cas où les écoulements sont induits par des gradients horizontaux de température et de concentration. On discute en particulier les limites de l'approximation d'extrême dilution. La condensation de vapeur d'eau et l'évaporation d'un film d'eau liquide sur les parois d'une cavité sont ensuite étudiées en régime transitoire. Ces changements de phase surfaciques sont associés à la convection naturelle dans une cavité dont les températures des quatre parois varient au cours du tempsThe aim of this dissertation is at modeling and numerically simulating thermosolutal convection within cavities filled by binary gas mixtures of ideal gases. A new problem formulation, based on the weakly compressible approximation, has been derived in order to account for the changes in density as well as thermodynamic pressure. The ideal gas law and global conservation of mass are invoked for the predictions of density field and thermodynamic pressure. The first part of the manuscript is devoted to the mathematical derivation of the governing equations and boundary conditions, numerical procedure implemented and, checks of the accuracy of the results through deeply comparisons with updated benchmark solutions. The emphasis is put on the efficiency of algorithm used for solving the pressure-velocity coupling for unsteady, transitional flow regimes. Thermosolutal convection without phase changes at the cavity surfaces is first considered in the second part of the manuscript. We investigated the case of vertical cavities with horizontal gradients of concentration and temperature. The results clearly show that the dilute approximation fails to be valid as soon as the maximum concentration difference exceeds a critical value function of the flow parameters. Surface condensation of water vapor or evaporation of liquid water film in vertical cavities is then considered. The specific thermal boundary conditions of uniform but time-varying temperatures of the four walls are considered. Periodic variations of the flow, temperature and relative humidity fields are discussed in detail. The evolutions of thicknesses of the water film over the four walls are also predictedPARIS-EST-Université (770839901) / SudocSudocFranceF