Laminar natural convection around two separate horizontal cylindrical configurations, the horizontal circular cylinder and the horizontal square cylinder, either with or without the outer enclosing circular cylinder, has been studied in this thesis. These flows, termed conveniently as the internal and the external natural convections, were investigated by many possible numerical and experimental means such as the finite difference method, the Galerkin finite element method, the fine-thermocouple temperature measurement, the smoke flow visualization and the Mach-Zehnder interferometry. Among the many interesting phenomena, substantial emphasis has been put on finding the correlation between the internal and the external natural convections, as well as on elucidating the separated plume above the horizontal upper surface of the square cylinder. Previously, it had been known in the literature that flow does not separate over a smooth heated curved surface. The argument needs now be corrected to include the separated natural convection for the case of the square cylinder sitting on its surface. When the square cylinder was rotated 45℃ from this position, no separation was found despite the negative role of the sharp angled edges in the convective heat transfer.
For the case of the horizontal circular cylinder placed inside of an another outer circular cylinder, parametric study on natural convection heat transfer was carried out in terms of the cylinder aspect ratio, eccentricity of the inner cylinder in both horizontal and vertical directions, azimuthal angularity of the inner cylinder and Rayleigh number. The conduction-dominant region in the annulus was mapped and the overall equivalent thermal conductivity was presented in a manner of emphasizing the relative degree of contribution between convection and conduction.
For the case of the horizontal square cylinder with or without the outer enclosing circular cylinder, the temperature depression was observed in the interferograms above the horizontal surface of the square cylinder sitting on its surface in the high Grashof number range. It has been possible to correlate this phenomenon with the existence of a pair of separated "twin vortices" in this region by using a semi-analytic equation for the flow velocity along the upper symmetry line.
When the square cylinder was placed concentrically inside of an outer circular cylinder, the Galerkin finite element method was used for analysis of the problem. For the case of the concentric square cylinder standing on its edge(SOE), no boundary layer separation was found near the sharp angled edges and well defined symmetric plume exists, as in the case of the square cylinder with a free plume. However, it was found for the geometry aspect ratio 0.4 that a pair of large recirculating vortices divide itself into subvortices so that vortex cores exist in quadruple for $Ra_{Do}＜5.0×10^4$. In fact, they were formed as a result of the local conduction regions developed in the contricted regions of the enclosure near the sharp edges of the inner square cylinder. This phenomenon has been also confirmed by the smoke visualization.
For the standing on surface (SOS) attitude of the inner square cylinder, the temperature depression was observed again over the upper horizontal surface of the inner square in the interferogram, when the Rayleigh number was raised to $3.79×10^6$ for the aspect ratio A/R=0.4. This depression can be interpreted in terms of the separated local twin vortices as in the case of the square cylinder with a free plume. It was found that the equivalent overall conductivity increases abruptly in this case due to the counter rotating twin vortices convecting thermal energy away efficiently.
본 논문의 연구 목적은 층류 자연대류에 있어서 유동의 박리현상의 존재 여부를 밝히고 이것이 열전달현상에 미치는 영향을 밝히는 데 있다.
조직적으로 연구를 수행하기 위해서 수평 등온 원통 혹은 사각 실린더에 의해 유도되는 외부 자연대류와 보다 큰 수평 등온 실린더에 의해 폐쇄된 환상공간 내에서 앞의 외부 자연대류의 모델들에 의해 유도되는 내부 자연대류로 연구의 모델들을 선정하고 각기 경우에 가장 적합하고 가능한 연구 방법들로 유한차분법, 유한요소법, 연기에 의한 유동의 가시화, 열전대에 의한 온도측정 그리고 광학간섭계에 의한 온도장의 가시화 등이 사용되었다.
외부 자연대류에 대해서는, 수평 등온 원통실린더에 의한 자연대류는 여러 참고 문헌들의 조사에 의해 유동의 박리 현상이 존재하지 않음을 알았으나, 수평 등온 사각 실린더에 의해 유도된 자연대류에 있어서는 특이한 그라소프수가 4.66×10 이상에서 박리유동을 시사하는 쌍둥이 소용돌이가 사각 실린더의 위쪽 수평면 위에 존재함을 광학 간섭계로 온도장을 가시화한 결과를 이용하여 본 논문에서 유도된 간단한 대수방정식에 의해 속도장을 구하여 실험적으로 입증하였다.
이는 여태껏 가열된 곡면 상에 있어서의 자연대류는 유동의 박리현상이 존재치 않는다고 알려진 학설이 곡률반경이 무한대인 날카로운 모서리를 갖는 사각실린더에 있어서는 유동의 박리현상이 그라소프수의 증가에 따라 존재할 수 있는 것으로 수정되어야 함을 보여 주고 있다. 그리고 이러한 박리 현상 즉 쌍둥이 소용돌이 현상에의해 평균열전달량이 급격히 증가함을 알았다.
내부 자연대류에 있어서도 역시 외부 자연대류와 비슷한 양상을 보이나 특히 사각 실린더의 경우는 그라소프수에 있어 외부 자연대류 보다는 내부 자연대류의 것이 다소 증가하였다. 이는 벽면 효과로 사료된다. 그리고 평균 열전달량도 역시 이 점 이상에서 급격히 증가하였다. 한편 원통실린더에 있어서는 편심 효과에 인해서 환상 공간 내에서 두 개 이상의 소용돌이가 생김을 알았으나 이 경우에 있어서는 평균 열전달량의 급격한 증가는 없었다. 이것은 편심률이 증가할 수록 전도현상이 대류 현상보다 상대적으로 우위를 차지하기 때문임을 알았다.
