Natural convection in a square cavity with discrete heat sources: an experimental and numerical analysis

Natural convection in a square cavity with discrete heat sources is studied both experimentally and numerically. The results are presented for Rayleigh numbers from 2∙103 to 5∙105. The experimental techniques employed are Holographic Interferometry and Particle Image Velocimetry. ANSYS Fluent is the CFD software chosen for the numerical analysis. The case studies performed examine how heat transfer in the cavity is affected by modifying its characteristics. Case study 1 tests the influence of the heat sources’ size on heat transfer. The influence of cavity aspect ratio and presence of a baffle is studied in case study 2. Case Study 3 explores the effect baffle length has on natural convection in an enclosure. The effect of the length of a pair of horizontal baffles on natural convection is tested in case study 4. Case study 5 examines the effect the height of a pair of vertical baffles has on natural convective heat transfer in a cavity. The final case studies introduce a fifth heat source on the bottom cavity wall of a cavity with four heat sources. In case study 6, the effect of the position of the fifth heat source on natural convection in the cavity is analyzed. In case study 7, the effect of two heating configurations on heat transfer is evaluated. The results obtained from the experimental and numerical tests in the form of isotherms, streamlines, velocity maps and average Nusselt numbers are analyzed and compared. A correlation between the average Nusselt and Rayleigh numbers for each configuration was studied and developed. The results showed that the characteristics altered in the case studies presented, modify heat transfer inside an enclosure. The intended application of the cavity will establish the choice of its design parameters: if natural convection is to be maximized, the aspect ratio and allocation of the heat sources will be chosen so as to have a greater temperature and fluid flow, reducing or eliminating the presence of baffles in the enclosure.

Lo studio della convezione naturale in cavità quadrata con sorgenti discrete è svolto sia sperimentalmente che numericamente. Sperimentalmente attraverso l'interferometria olografica e il Particle Image Velocimetry mentre numericamente attraverso l'utilizzo del software CFD ANSYS Fluent. Sono presentati 7 diversi studi di configurazioni della cavità dove vengono esaminati gli effetti sulla trasmissione di calore della dimensione delle sorgenti, dell'aspect ratio, della presenza di uno o due ostacoli orizzontali o verticali di diversa lunghezza e della presenza di una quinta sorgente al centro della cavità. I risultati ottenuti dalle prove sperimentali e numeriche sono stati analizzati e confrontati nella forma di isoterme, streamlines, velocity maps e numero di Nusselt per numeri di Rayleigh da 2∙103 a 5∙105. E' stato studiata e sviluppata una correlazione tra il numero di Nusselt medio e il numero di Rayleigh per ogni configurazione. I risultati evidenziano le influenze delle modifiche apportate alla cavità sulla convezione naturale. L'applicazione industriale della cavità stabilirà poi la scelta dei parametri di progetto: se il progetto necessita di uno scambio termico maggiore, dovranno essere scelte le proporzioni e la ripartizione delle fonti di calore in modo appropriato, riducendo o eliminando la presenza di ostacoli nella cavità in modo di avere un maggiore scambio termico.