A numerical study is made of buoyant convection of air in an enclosure under constant gravity and time-periodic magnetizing force. Conventional buoyant convection occurs when the two vertical sidewalls are maintained at different temperatures and the other walls are thermally insulated. To this basic layout, electric coils are located at the left and right sides of the cavity for case 1. For case 2, the electric coils are located below and above the cavity. The currents in the coils are activated in an alternating fashion. Comprehensive numerical solutions are found for the time-dependent Navier-Stokes equations, which include the magnetizing force term.
In chapter 2, 2-dimensional numerical investigate is made to find out the physics of buoyant convection in a square cavity under constant gravity and time-periodic magnetizing force. The computed results reveal the existence of resonance, which is characterized by maximal amplification of the fluctuations of heat transfer in the interior. This resonance phenomenon is apparent when the basic mode of internal gravity oscillation is excited. The augmentation and/or suppression of convective activities by the action of magnetizing force is the primary factor to induce resonance. The configuration of case 1 is seen to be more effective than that of case 2 in heat transfer enhancement.
In chapter 3, the configuration in chapter 2 is extended to the 3-dimensional situation. The results show that 2-dimensional approximation is valid and the physics which is described in chapter 2 dominate the system. The magnitude of magnetizing force is varied. The computed results disclose that a large-magnitude magnetizing force causes an augmentation of heat transfer. The maximum fluctuation of Nusselt number in the interior occurs at the resonance frequency. Although the influences of magnitude of magnetizing force are discernible in the flow and temperature fields, the basic mechanism of resonance is independent on the magnitude of magnetizing force.
본 연구에서는 균일한 중력장에 놓인 측벽 온도가 다른 밀폐용기에 시간에 따라 주기적으로 변하는 magnetizing force를 외력으로 가했을 때, 시스템 내부에서 발생되는 자연대류 현상을 수치적으로 연구하였다. Electric coil의 위치에 따라 시스템의 configuration을 두 가지 경우로 나누고 magnetizing force가 유체 시스템에 미치는 영향과 그에 따른 시스템 내부에서의 유동과 열전달에 관한 overview를 제시하였다. Chapter 2에서는 시스템을 2차원으로 가정하여 특정 주파수에서 interior 부분의 열전달이 촉진되는 공진현상의 존재를 증명하였고, 공진주파수는 시스템의 internal gravity oscillation과 관련이 있음을 확인하였다. 그리고 magnetizing force에 의한 자연대류의 촉진과 억제가 공진을 야기시키는 주된 요인임을 알아 냈고, 한 cycle동안 시스템 내부에서 일어나는 유동장과 온도장의 변화에 대해 상세히 해석하였다. Chapter 3에서는 시스템을 3차원으로 확장한 후 2차원 결과와 3차원 결과의 비교를 통해 시스템을 2차원으로 가정하는 것이 유효하며, chapter 2에서 언급되었던 여러 물리적 특성들이 실제 시스템을 지배하고 있음을 확인하였다. 또한, 자기장의 세기에 관계없이 internal gravity oscillation의 기본적인 모드가 가진되었을 때 공진이 일어남을 알 수 있었다. 그리고 magnetizing force의 세기가 증가함에 따라 interior 부분의 열전달률도 증가하는 모습을 보이며, 특히 magnetizing force의 값에 따라 열전달 진폭이 선형적인 특성을 보임을 확인하였다.
