HWAHAK KONGHAK, Vol.20, No.5, 377-384, October, 1982
다공성 매질내 유체의 자연대류에 관한 연구
Multicellular Convection in a Fluid-Saturated Porous Medium
초록
다공성 매질내에서 일어날 수 있는 유체의 다양한 자연대류 열전달 방식들을 결정하고, 이들의 특성을 조사하기 위하여 바닥이 가열되며 투수성 상층면을 가지는 상자를 모델로 광범위한 수치실험을 수행하였다. 유체의 유동과 전열현상을 모사한 Darcy-Boussinesq식의 해를 유한차분법으로 구하였는 바 Poisson형의 압력식은 직접해법으로 해를 구하여 수치적인 잡음을 제거하였고, 에너지식은 중심차분법이나 upwind 차분법의 단점을 보완시킨 power-law weighted upwind차분법으로 플어 오차확산을 방지하였다.
본 연구에서는 일정한 Rayleigh수에서도 여러 가지의 정상상태 자연대류 및 진동성 대류유동이 셀（cell）수에 따라 가능함을 확인하였고, 정상상태의 다중셀 유동이 시작되는 임계 Rayleigh수와 비정상상태의 진동성 대류가 시작되는 이차 임계 Rayleigh수를 2∼5중셀 대류방식에 대하여 각각 결정하였으며, Nusselt수를 Rayleigh수와 셀의 수에 따라 계산함으로써 전열속도가 최대가 되는 최적 대류열전달 방식을 결정할 수 있었다.
본 연구에서는 일정한 Rayleigh수에서도 여러 가지의 정상상태 자연대류 및 진동성 대류유동이 셀（cell）수에 따라 가능함을 확인하였고, 정상상태의 다중셀 유동이 시작되는 임계 Rayleigh수와 비정상상태의 진동성 대류가 시작되는 이차 임계 Rayleigh수를 2∼5중셀 대류방식에 대하여 각각 결정하였으며, Nusselt수를 Rayleigh수와 셀의 수에 따라 계산함으로써 전열속도가 최대가 되는 최적 대류열전달 방식을 결정할 수 있었다.
In order to examine the characteristics of the various types of convection that can occur in a fluid-saturated porous material, numerical experiments are carried out for a permeable-top box heated from below. A cyclic reduction method is applied for solving Poisson-type pressure equation to avoid false flow fields due to the iterative numerical noise and a modified upwind scheme is utilized to overcome diffusional truncation errors in solving energy equation of parabolic type.
The main results of the present study are as follows. The conditions leading to onset of multicellular steady convections, second critical Rayleigh numbers above which fluctuating unsteady convections exist, variations of Nusselt number with Rayleigh number, and the effective convection patterns which maximize the heat transport are determined as functions of convective cell-number.
In summary, the results show that the various types of convection are possible for a given Rayleigh number and box geometry depending on the initial conditions.
The main results of the present study are as follows. The conditions leading to onset of multicellular steady convections, second critical Rayleigh numbers above which fluctuating unsteady convections exist, variations of Nusselt number with Rayleigh number, and the effective convection patterns which maximize the heat transport are determined as functions of convective cell-number.
In summary, the results show that the various types of convection are possible for a given Rayleigh number and box geometry depending on the initial conditions.