Laminar natural convection around a two-dimensional plate with rectangular grooves is studied experimentally and numerically. The heat transfer around a vertical plate with horizontal rectangular grooves, horizontal plate with upward and downward rectangular groove is investigated. A Mach-Zehnder interferometer is used in the experiment and the local Nusselt numbers at each groove are measured quantitatively from the interferograms. A modified SIMPLER algorithm for the pressure boundary is used in the numerical simulation.
At low Rayleigh number $(Ra_L ≡ 10^6)$, increase of the total heat transfer rate from grooved surface is not notable in spite of the increased surface area. The total heat transfer rate from a grooved fin increases very rapidly with the increase of the Rayleigh number, while the growth rate for a flat plate is not that high.
As revealed by the numerical analysis, secondary recirculation flows are observed in the groove. The protrusions prevent the main flow from flowing into the groove and cause recirculations. Consequently, the heat transfer rate at the inner surfaces of the groove is significantly smaller than that at the outer surface.
The effect of Rayleigh number for each aspect ratio is also studied. The effects of the number of protrusions and the location of the groove are investigated. A general correlation for the average Nusselt number is finally made to obtain the heat transfer rate for rectangular grooves for the three alignments (vertical, upward-facing and downward-facing horizontal alignments), for any number of protrusions (5~13) and Rayleigh number $(10^6 ≤ Ra_L ≤ 10^9)$.
사각 그루브를 갖는 2차원 물체 주위의 자연대류현상이 실험과 수치계산을 통하여 연구되었다. 수평사각 그루브를 갖는 수직 휜, 위로 향한 혹은 아래를 바라보는 사각 그루브를 갖는 수평 휜 주위의 열전달 현상이 관찰되었다. Mach-Zehnder 간섭계가 실험에 사용되었으며 결과로 얻어진 간섭사진을 분석하여 각 그루브의 국부 열전달 계수가 정량적으로 측정되었다. 수치해석을 위해서 압력경계조건을 사용하기 위하여 수정된 SIMPLER 알고리즘을 사용하였다.
낮은 레일레이수 $(Ra_L ≡ 10^6)$에서는 그루브를 갖는 물체로부터의 열전달량이 유체와의 접촉표면적의 증가에도 불구하고 그루브가 없는 평판에 비하여 그리 크지 않았다. 그러나 레일레이수가 증가함에 따라 그루브 핀으로부터의 열전달량의 증가는 그루브가 없는 평판에 비교하여 매우 급속하게 증가하였으며, 이로 인하여 큰 레일레이수에서는 그루브 핀의 열전달량이 그루브가 없는 평판에 비교하여 상당히 크게 되었다.
그루브 안에서는 회전유동이 생성되는 것이 수치해석을 통하여 발견되었다. 돌출부들은 주 유동이 그루브 안으로 들어가는 것을 방해하며, 그루브 안의 회전 유동을 생성시킨다. 결과적으로 그루브 안쪽 면들의 국부 열전달계수들은 주 유동과 접해 있는 그루브의 제일 바깥쪽 면에서의 국부 열전달계수들 보다 상당히 작게 된다.
그루브의 형상비에 따른 열전달량의 영향과 각 형상비에서의 레일레이수의 영향이 연구되었다. 또한, 그루브의 수에 따른 영향도 함께 연구되었다. 그루브의 형상비, 그루브의 수 그리고 레일레이수에 따른 평균 열전달계수의 근사식이 제안되었다.
