Experiments have been conducted to investigate mean thermal structure in unstable turbulent thermal convection between two horizontal flat plates. The upper plate was kept at a constant cold temperature and the bottom plate at a constant hot temperature. Both air and water were used as its working fluid. Chamber aspect ratios were 3.08 and 6.17, the mean temperature difference between two plates were 0.9-7.9℃, which gave us Rayleigh number in a range $6.13×10^5$-$1.25×10^8$.
The heat transfer correlation found through the experiments are $Nu=0.139R_a^0.285$ for air and $Nu=0.087R_a^0.319$ for water. Mean temperature profiles and fluctuations were obtained by using a Pt-Pt Rh thermocouple of 0.025mm diameter. The measured profiles have been differentiated to get the mean temperature gradient profiles.
The results clearly identified the -2 and -4/3 power law regions which have been proposed by Kraichnan (1962) and Chung & Adrian (1981). The buoyancy defect region proposed by Chung et. al. was not detected, and the defect region for water was detected possibly due to slight unsteadiness of the convective motion.
It was found that a correlation formula for mean temperature of Chung et. al. is in good agreement with this experimental data.
본 연구는 서로 다른 온도로 유지되어 있는 두 판 사이의 난류 열대류 현상을 규명하기 위한 실험적 연구이다.
아랫판의 온도를 윗판의 온도보다 크게 유지시키는 모형이 사용되었으며 매질로는 공기와 물이 사용되었다. 가로와 높이의 비는 3.08과 6.17이고 두 판 사이의 온도차는 0.9도와 7.9도 사이이며 이 경우 Ra의 범위는 $6.13×10^5$과 $1.25×10^8$ 사이 이다. 공기인 경우 $Nu = 0.139 Ra^{0.285}$ 와 물인 경우 $Nu = 0.087 Ra^{0.319}$ 인 상관관계가 유도되었다.
평균 온도와 떨림 정도가 직경 0.025mm의 백금 theromocuple로 측정되었으며 이것을 미분해 온도구배를 구하였다.
Kraichnan(1962)과 Chung & Adrian(1981)이 제안한 바와 같이 평균온도 구배가 바닥에서의 높이와 $-\frac{4}{3}$승, -2승에 비례하는 영역이 발견되었다.
온도와 높이의 무차원화된 실험치가 Chung et. al. 의 유도식과 비교되었으며 비교적 잘 일치하였다. 매질이 공기인 경우 대류층의 중심부에 예측되었던 결함영역은 발견되지 않았고 매질이 물인 경우 불안정한 상태에 의해 결함영역이 나타났다.
