The effects of turbulence promoters on mass transfer were investigated numerically. The zigzag and cavity types of geometries were selected, for while mass transfer and flow visualization studies were made at Reynolds numbers of laminar flow ranges.
Upwind differences scheme was used for the better convergence of solutions at moderately high Reynolds numbers and also non-uniform grid was adopted to account for the sharp changes in concentration inside the boundary layers. The variation of Reynolds numbers or Peclet numbers did not affect the rate of convergence greatly. However the accuracy of the solutions was highly dependent on the grid size near the wall.
Careful examinations of the solutions obtained showed that turbulence promoter enhances the mass transfer by forming the circulating flow which breaks the concentration boundary layer and increases the wall shear stress in the main stream. The following empirical correlations were obtained for the mass transfer of zigzag type promoter of which the ratio of distance between the centers of the neighboring promoters to channel height is 5.
$Sh = 0.518 Sc^{0.4}Re^{0.5}$
$Sh = 0.816 Sc^{0.34}Re^{0.43}$
The flow separations shown by visualization were in a good agreement with the predictions by the numerical analysis at Reynolds numbers from 20 to 150. Also the visualization studies showed that the unsteady flow begins at Reynolds numbers of 250 to 300.
Turbulence Promoter 가 물질전달에 미치는 영향을 조사하기 위해 Zigzag Type 과 Cavity Type 의 기하학적 형태를 가진 model 들을 설정하고 수치해석 및 흐름가시화 실험을 수행하였다.
상방차분법에 의한 수치해석에서 해의 수렴속도는 Reynolds 수나 Peclet 수의 변화에 큰 영향을 받지 않으나, 해의 정확도는 농도 경계층의 영향으로 벽면근처의 격자 간격에 의해 결정적으로 영향을 받는 것으로 나타났다.
결과로서, 물질전달 증대효과는 Turbulence Promoter 가 회전류를 발생시킴으로써 농도 경계층의 성장을 막아주고 분류의 wall Shear Stress 를 증가시켜 주는데 기인하는 것으로 생각되었으며, 모양비 (이웃하는 Promoter 의 중심간의 거리를 유관의 높이로 나눈 값)가 5인 Zigzag Type Promoter 에 대해서 다음의 경험식을 얻었다.
$Sh = 0.518 Sc^{0.4} Re^{0.5}$-- 아랫벽
$Sh = 0.816 Sc^{0.34} Re^{0.43}$ -- 윗벽
흐름가시화 실험으로 조사한 유체의 분리현상은 Reynolds 수가 150보다 작은 경우에는 수치해석 결과와 잘 일치 하였으나 보다 큰 값에 대해서는 상당한 차이를 보였으며, 와류로의 천이는 Reynolds 수가 250 내지 300일때 일어났다.
