Published March 1981 | Version v1
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Free convection in fluid layers with two rigid sidewalls

Description

The influence of sidewalls on free convection behaviour of a fluid layer heated from below is investigated. This layer of infinite extent in x-direction is limited by two vertical and two horizontal sidewalls. The problem is characterized by the height to width ratio A. Because of the sidewalls the convection depends on all three spatial coordinates. However for a large variety of aspect ratios A and Rayleigh numbers, only two velocity components are of importance. To describe the temperature and the velocity fields the Boussinesq approximation is applied on the Navier-Stokes equations and on the energy equation. The resulting system of differential equations is solved by means of a Galerkin method. For a wide range of the aspect ratio A between A = 0 (Benard convection) to A = 100 (Hele-Shaw convection) solutions are presented ranging from the onset of free convection up to Rayleigh numbers being about 30 times above the critical linear stability value. The influence of sidewalls on the critical Rayleigh number and wave number and on the heat transport is investigated for several combinations of boundary conditions (horizontal boundaries: isotherm and rigid or free; vertical boundaries: rigid and insulated or perfectly conducting). Transient convection is discussed in the case of Hele-Shaw convection. Where comparison with experimental results is possible, good agreement is found. (orig.)

Availability note (English)

MF available from INIS under the Report Number.

Abstract (German)

Der Einfluss der seitlichen Begrenzungsflaechen einer von unten beheizten Fluidschicht auf die thermische Zellularkonvektion wird untersucht. Diese Schicht ist in x-Richtung unendlich ausgedehnt und wird seitlich von zwei vertikalen und zwei horizontalen Raendern begrenzt. Als charakteristische Geometriegroesse tritt das Hoehen-zu-Breitenverhaeltnis auf; es wird mit A bezeichnet. Infolge der Berandungen ist die Konvektionsstroemung von allen drei Raumkoordinaten abhaengig, jedoch reicht fuer einen grossen Bereich von Hoehen-zu-Breitenverhaeltnissen A und Rayleigh-Zahlen die Beruecksichtigung von zwei Geschwindigkeitskomponenten aus. Zur Beschreibung des Temperatur- und Geschwindigkeitsfeldes werden die Navier-Stokes-Gleichungen und die Energiegleichung mit Hilfe der Boussinesq-Approximation vereinfacht und mit einem Galerkin-Verfahren geloest. Fuer einen grossen Bereich von Werten A zwischen A = 0 (Benard-Konvektion) und A = 100 (Hele-Shaw-Konvektion) werden Loesungen fuer die stationaere Konvektion vom Einsetzen bis in einen weit ueberkritischen Zustand vorgestellt. Der Einfluss der Seiten auf die kritische Rayleigh- bzw. Wellenzahl und auf den Waermetransport wird fuer verschiedene Kombinationen von Randbedingungen (horizontale Raender: isotherm und fest oder frei; vertikale Raender: fest und adiabat oder perfekt waermeleitend) untersucht. Instationaere Stroemungsvorgaenge werden am Beispiel der Hele-Shaw-Konvektion diskutiert. Ein Vergleich mit experimentellen Ergebnissen ergibt, soweit dies moeglich ist, eine gute Uebereinstimmung. (orig.)

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Original title (German)
Zellularkonvektion in Fluidschichten mit zwei festen seitlichen Berandungen

Publishing Information

Imprint Pagination
67 p.
Report number
KFK--3109

INIS

Country of Publication
Germany
Country of Input or Organization
Germany
INIS RN
12616319
Subject category
S42: ENGINEERING;
Resource subtype / Literary indicator
Thesis
Descriptors DEI
BOUNDARY LAYERS; COMPARATIVE EVALUATIONS; DUSTS; FLUID FLOW; GALERKIN-PETROV METHOD; NATURAL CONVECTION; NAVIER-STOKES EQUATION; NUSSELT NUMBER; SPATIAL DISTRIBUTION; THERMAL CONDUCTION; TRANSIENTS
Descriptors DEC
CONVECTION; DIFFERENTIAL EQUATIONS; DISTRIBUTION; ENERGY TRANSFER; EQUATIONS; HEAT TRANSFER; ITERATIVE METHODS; LAYERS