First, a study is made of the heat transfer characteristics of a fully-developed pulsating flow in a channel. The fluid at the channel inlet is of temperature $T_o$, and the channel walls are at uniform temperature $T_w$. Concern is directed to the thermally developing region. The unsteady Navier-Stokes equations are solved numerically to simulate a relatively slow throughflow at Re=50, Pr=0.7. Comprehensive time-dependent flow data are obtained for wide ranges of two key parameters, i.e., the pulsation amplitude 0 ≤ A ≤ 0.75, and the nondimensional pulsation frequency M up to 10.0. When M is low, the velocity profiles resemble much of the quasi-steady solutions. When M is large, the effects of oscillation are confined to a narrow zone adjacent to the walls. The changes in the Nusselt number Nu due to pulsation are pronounced in the entrance region, say X/(ReㆍPr) < 1.0, and the impact of pulsation on Nu is minor at far downstream locations. The effects of M on Nu are noticeable when M is small and moderate. At high pulsation frequencies, heat transfer is little affected by the addition of pulsation. Detailed analyses on local behavior of heat transfer are made by using Fourier-series representations of the numerical results. These exercises indicate that, due to pulsation, both heat transfer enhancement and reduction can be expected in various axial locations of the channel. Based on these numerical results, physically plausible explanations are offered to interpret the axial behavior of heat transfer.
Second, a numerical study is made of heat transfer characteristics from forced pulsating flow in a channel filled with fluid-saturated porous media. The channel walls are assumed to be at uniform temperature. The Brinkman-Forchheimer-extended Darcy model is employed for the flow in the channel. The time-dependent, two-dimensional governing equations are solved by using finite-volume techniques. Numerical solutions are obtained for quasi-steady periodic states. Flow and temperature fields are examined over ranges of the principal parameters, i.e., the amplitude of flow pulsation A, the pulsation frequency parameter $M[≡H(ω/2v)^1/2]$, the Darcy number $Da[≡K/H^2]$, the thermal conductivity ratio $R_k[≡k_eff/k]$, and the heat capacity ratio $R_c[≡(ρC_p)_eff/(ε(ρC_p))]$. The impact of pulsation is discernible in the cycle-averaged temperature distribution. In comparison with the case of a non-pulsating flow, the presence of flow pulsation brings forth a reduction in heat transfer in the entrance region and an enhancement of heat transfer at moderate downstream regions. At farther downstream locations, the influence of pulsation is meager. The magnitudes of changes in heat transfer depend upon A, M, Da, $R_k$, and $R_c$. The effect of pulsation on heat transfer between the channel wall and the porous media is more pronounced for small M and large A. Explicit influences of Da, $R_k$, and $R_c$ on the flow and heat transport characteristics are also scrutinized.
Third, a combined experimental and numerical study has been carried out to investigate the heat transfer characteristics of a fully-developed pulsating flow in a circular pipe. The fluid at the pipe inlet is of temperature $T_o$, and the pipe walls are heated by imposing a constant heat flux q". The pulsating flow is maintained by a motor-driven piston with angular frequency ω and the displacement 2Δx. The temperature field is scanned along the pipe walls and at several center locations of the pipe for various flow conditions. In an effort to compare with the experimental results, the unsteady Navier-Stokes equations are numerically solved for wide ranges of two key parameters, i.e., the pulsation amplitude 0
채널과 관등의 국한 유로내에서의 맥동유동과 이에 따른 열전달 특성에 관한 연구를 수행하였다. 맥동 주파수 변수 M 또는 β가 작을 때 속도 분포는 준평형상태와 매우 유사하지만 M 또는 β가 큰 경우에는 oscillation 효과는 벽 근처의 좁은 영역에서 나타났다. 유동장은 기존의 해석해와 잘 일치함을 보였다. 다공물질로 채워진 채널내에 맥동이 가해지는 경우에는 Da가 크고 M이 작을 때 속도 분포는 다공물질이 없는 경우의 준평형상태와 유사하였다; M이 클 경우 벽에 근접한 영역에서만 영향이 나타났다. Da가 작은 경우 유동장에 미치는 다공물질의 효과는 크게 나타났다; 채널 내부의 대부분의 영역에서 편평한 속도분포가 나타났으며 축방향 압력구배와 표면 마찰계수는 M의 변화에 거의 영향을 받지 않았다.
균일한 온도로 유지되는 채널내부에 맥동유동이 있는 경우 Nu수에 대한 맥동의 영향은 상류쪽 입구영역에서 맥동진폭 A가 클때 분명했다. 맥동에 의한 Nu수의 변화는 M이 작을 때 대부분의 채널영역에서 분명하게 나타났지만 맥동 주파수가 큰 경우, M>1.0, Nu수의 변화는 전반적으로 미약했다. 맥동이 없는 경우와 비교하여 맥동 주파수가 낮을때 극도의 상류 영역에서 국소Nu수는 감소했으며 중간 정도의 하류 영역에서 국소Nu수의 증가가 나타났다. 더 하류로 가면 Nu수의 변화는 거의 없어진다. 채널이 다공물질로 채워진 경우 Nu수의 축방향 변화특성에 대한 M과 A의 효과는 다공물질이 없는 경우와 정성적으로 유사했다. Da가 감소할 때 또는 $R_k$가 증가할 때 $[Nu_{t-s}]_m$의 최고값은 증가하고 그 위치도 상류쪽으로 이동했다. 또한 $R_c$가 증가할 때 $[Nu_{t-s}]_m$의 최고값의 위치는 더욱 상류쪽으로 이동했다.
균일하게 가열되는 관내의 맥동에 의한 열전달 특성을 실험과 수치계산을 통해 연구하였다. β가 작을 때 맥동에 의한 벽온도의 변화는 입구영역에서 뚜렷하며 입구영역은 변수 $X_c=\frac{X_c/D}{ReㆍPr}=frac{π}{2β^2Pr}$에 의해 지배됨을 알 수 있었다. β가 증가함에따라 온도변동의 폭은 감소했다. 맥동 진폭 A가 1.0보다 작은 경우 맥동에 의한 열전달률의 변화는 거의 없었으나 A가 1.0보다 큰 경우 맥동에 의해 Nu수가 크게 증가했다. 본 실험결과는 수치계산 결과와 정성적인 일치를 보였다.
두번째 주제로서 가열된 블럭이 있는 채널내에 맥동유동이 있는 경우에 대한 열전달 특성을 수치해석을 통해 연구하였다. 맥동에 의해 블럭후류의 채널벽면에 공간적으로 주기적인 와류가 생성되었다. 또한 유체의 혼합효과는 증가하였으며 블럭을 지난 중간 하류영역에서 분명하게 나타났다. 한 주기동안의 평균 Nu수는 맥동에 의해 증가했으며 이 주파수가 클수록 평균Nu수는 증가했다. 그러나, $Sr_F$가 더욱 커짐에따라 이 $\mbox{\overline{Nu}}_m$의 증가는 둔화되었다. $Sr_F$가 어떤 값 이상일 때 subharmonic 주파수가 중요해짐을 Fourier해석을 통해 발견하였으며 이 경향은 Re수가 증가할수록 뚜렷하였다.
본 연구의 결과를 통하여 채널입구에서의 맥동유동은 유로의 형상에 따라 열전달을 상당히 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다. 채널내의 유동과 열전달현상에 대한 이해를 위해서는 블럭의 높이와 입구 맥동의 진폭의 효과 등 또 다른 변수의 영향에 대한 고찰이 필요하다. 마지막으로 채널내에 다공물질이 있는 경우의 정상상태에 대한 광범위한 수치해석을 수행하였다. S가 증가할 때 다공물질과 채널벽사이를 통과하는 유량은 증가했으며 S가 고정된 경우 Da의 감소는 다공물질을 통과하는 유량은 감소시키지만 다공물질과 채널벽사이를 통과하는 유량의 증가를 가져왔다. Da가 감소할 때 (A)형에서는 최대 벽온도$(Θ_w)-max$가 감소했고 (B)형에서는 $(Θ_w)_max$가 증가하였다. 기하학적 배열(A형과 B형)과 S의 변화에 의해 열전달률에 대한 좋고 나쁜 조건들이 존재하는 것을 알 수 있다. $(Θ_w)_max$을 감소시키기 위해서는 채널내에 다공물질을 가득 채우기 보다는 일부분만을 채우는 것이 유리하며 이것은 S, Da, $R_k$의 값에 영향을 받음을 알 수 있었다. 압력손실의 관점에서는 두겁고(S가 큰 경우) 밀도가 큰(Da가 작은 경우) 다공물질의 사용은 전자장비등의 냉각을 위해서는 바람직하지 않음을 알았다.
