Numerical study of particle-laden convection in a cavity
저자
발행사항
서울 : Graduate School, Yonsei University, 2020
학위논문사항
학위논문(박사) -- Graduate School, Yonsei University Department of Computational Science and Engineering 2020.2
발행연도
2020
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
서울
형태사항
x, 79장 : 삽화 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: Changhoon Lee
UCI식별코드
I804:11046-000000522032
소장기관
Buoyancy induced thermal convection flow with particles occurs frequently in nature and many engineering applications such as fouling of heat transfer equipment, aerosol deposition on surfaces, the atmospheric dispersal of pollutants and the determination of indoor air quality. In this study, we motivated to understand aerosol particles driven by natural convection flows inside an air filled cubic cavity. For this purpose, we analyzed particle-laden flow in a differentially heated cubic cavity by using direct numerical simulations and the Lagrangian particle tracking method. Firstly we investigated the transport of inertial particles in a differentially heated cubic cavity. Three moderate values of the Rayleigh number Ra = 2x10^8; 4x10^8; 7x10^8 are considered. There is no back reaction from the particle on the flow, i.e., one-way coupling. Small (d = 15 m), intermediate (d = 35 m), and large (d = 75 m) sizes of particles are used to study the particle
behavior. The particles are influenced by two forces, the drag and gravity force. From our simulations, we observed that a large fraction of small-sized particles follow the flow motion and they are not significantly affected by gravity, remaining suspended in the flow. On the other hand, large-sized particles quickly settle down toward the bottom wall under gravity and are deposited at the bottom wall. Owing to this difference, particle distribution for small particles and large particles is quite different. Small particles tend to accumulate near a particular region near hot and cold walls, while the particle depletion region is observed in the core region in a particular pattern. Large particles are almost uniformly distributed. Detailed mechanisms are discussed using the flow field and particle response characteristics. The second purpose was to investigate the physical mechanism responsible for the modification of natural convection flow by sedimenting solid particles. Rayleigh number of Ra =10^6 was considered, and two important parameters, namely, the particle diameter d_p and particle volume fraction Phi_V, were varied in the range of d_p = 25; 35; 50; 75 mm and Phi_V = 2x10^5; 5x10^5; 10^4. Extensive numerical investigations were performed by considering the two-way interaction for the following two coupling cases: (i) momentum coupling only; (ii) momentum and thermal coupling between fluid and particles. The behavior of particles, flow modification, and heat transfer characteristics was investigated in detail with the relevant statistics.
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