The shear-driven incompressible flow in a toroidal cavity of square crosssection(DxD) and radius of curvature Rc has been studied both experimentally andnumerically. The flow has been realized in two toroidal cavities driven by an externalchannel flow adjacent to the top flat lid of the toroid (open-cavity flow configuration).The first toroidal cavity has been designed and constructed for a curvature ratio(=D/Rc) of about =0.51 (D=100.0mm and Rc=195.0 mm). In addition, thetoroid test section, previously, designed by Cushner (2001), for =0.25 (D=50.0mm and Rc=200.0mm) has been used to construct the second facility.The Particle Image Velocimetry (PIV) technique and a Rheoscopic fluid havebeen used to visualize the motion of liquid water at certain vertical and horizontalplanes of the flow domain. Numerical solutions have been obtained by integratingthe incompressible time-dependent Navier-Stokes equations using a fourth-orderaccurate code. In addition to the open-cavity flow arrangement, the toroidal cavitydriven by sliding the top flat wall, Lid-driven cavity (LDC) problem, has beenconsidered in the calculations.The flow visualization experiments have captured the three-dimensionalperiodic structures of Taylor-Görtler vortices (TGV) at Reynolds number of aboutxxRe=1000. Three-dimensional calculations of idealized LDC and open-cavity flowarrangement have resulted in steady two-dimensional flow solutions for smallReynolds numbers. When Reynolds number is sufficiently increased, the twodimensionalflow becomes unstable to different centrifugal-type of modes dependingon curvature of the toroid. Steady modes of short wavelength render the LDC flow,driven by sliding the top wall radially outward, three-dimensional in a slightly curvedenclosure (0.125). When the motion is induced by sliding the top wall radiallyinward, the same type of mode has been obtained regardless of the value. Thedominant modes become time-periodic and of longer wavelength for both opencavityflow (= 0.25 and 0.51) and idealized LDC flow (sliding wall radially outwardwith = 0.25) cases. From the Eulerian viewpoint, the dynamic flow behavior ischaracterized by periodic alternation in the sense of rotation of the TGV. In contrast,for a strongly curved enclosure (0.51) with an outwardly sliding lid, the modes arestationary and of very long wavelength.Heat transport accompanying both 2D and 3D LDC flows has beeninvestigated numerically. The transfer rates have been calculated for a range ofReynolds numbers and curvature ratios. A comparison between the 2D and 3Dnumerical results demonstrates the importance role of Taylor-Görtler vortices inimproving the heat transfer processes. While, for =0.125, the heat transfer rateincreases slightly when the 2D flow becomes three-dimensional, a drastic increase inthe heat transfer has been noticed for =1.0. Thus, Taylor-Görtler modes of longerwavelength favor the mixing process largely.Calculations of the kinetic energy and vorticity budgets have demonstratedthat the first active modes are caused mainly by stretching/tilting of vorticityfluctuations and through an energy exchange between the fluctuating and the meanvorticity / En el presente trabajo, se ha estudiado experimentalmente y numéricamente el flujoincompresible en una cavidad toroidal con una sección transversal cuadrada (DxD) y un radiode curvatura Rc. Este flujo se ha realizado en dos cavidades donde el movimiento de agualiquida se induce por un caudal externo del mismo fluido entre el borde superior de la cavidady su tapa. La primera cavidad toroidal se ha diseñado y construido para una relación decurvatura (= D/Rc) alrededor de 0.51 (D = 100.0 mm y Rc = 195.0 mm). Además, el toroidepreviamente diseñado por Cushner (2001), para = 0.25 (D = 50.0 mm y Rc = 200.0 mm), seha usado para construir la segunda cavidad. La técnicas PIV (Particle Image Velocimetry) ydel fluido reoscópico se han usado para visualizar el flujo en ciertos planos verticales yhorizontales. Los resultados numéricos se han obtenido mediante la integración de lasecuaciones completas de conservación de masa y cantidad de movimiento utilizando uncódigo que cumplimenta un algoritmo de curto orden. Además de la configuración real delflujo, se ha considerado en los cálculos el flujo en la cavidad toroidal inducido idealmente porel deslizamiento radial de la pared superior.Las visualizaciones experimentales del flujo han capturado las estructuras periódicastridimensionales para un numero de Reynolds alrededor de Re = 1000. Los cálculos2tridimensionales de los flujos ideales y reales han dado lugar a unas soluciones estacionariasde flujos bidimensionales para los números de Reynolds pequeños. A números de Reynoldsmás altos, el flujo bidimensional es inestable a diferentes modos de tipo centrífugo,dependiendo de la curvatura del toroide. Los modos estacionarios de longitud de onda cortason responsables en la generación del flujo tridimensional en una cavidad ligeramentecurvada (= 0.125) inducido por el movimiento radial hacia afuera de la pared superior.Cuando el movimiento es inducido por el deslizamiento de la pared hacia dentro, se obtienenlos mismos modos estacionarios para (1.0). Los modos dominantes devienen periódicosen el tiempo y con longitud de onda más larga para tanto para el caso del flujo real (= 0.25y 0.51) como para el caso del flujo ideal (pared con deslizamiento radial hacia afuera, con =0.25). Desde el punto de vista Euleriano, el comportamiento dinámico del flujo se caracterizapor la alternación periódica en el sentido de rotación de las vórtices de Taylor-Görtler. Encontraste, para una cavidad fuertemente curvada (0.51) con el flujo inducido por eldeslizamiento radial hacia fuera de la pared superior, los modos son estacionarios y delongitud de onda muy larga.Los vórtices de Taylor-Görtler juegan un papel importante en la mejora la trasferenciade calor en la cavidad toroidal. Se ha encontrado que los modos de Taylor-Görtler de longitudde onda más larga refuerzan consideradamente el proceso de la mezcla.Los cálculos de la energía cinética y de la vorticidad fluctuante, han demostrado quelos primeros modos activos son causados principalmente por los términos de'stretching/tilting' de las fluctuaciones de vorticidad, y a través de un intercambio de energíaentre la vorticidad fluctuante y la vorticidad media.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:TDX_URV/oai:www.tdx.cat:10803/8506 |
| Date | 30 September 2002 |
| Creators | Al-Shannag, Mohammad Yousuf Suliman |
| Contributors | Herrero i Sabartés, Joan, Giralt, Francesc, Universitat Rovira i Virgili. Departament d'Enginyeria Química |
| Publisher | Universitat Rovira i Virgili |
| Source Sets | Universitat Rovira i Virgili |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| Format | application/pdf |
| Source | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess, ADVERTIMENT. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs. |
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