Experimental and numerical analysis of natural convection in a square cavity with a vertical baffle

In this work, natural convection in a square cavity with an internal vertical obstacle and differentially heated from the side has been studied. Air is the working fluid and the divider is large, poorly conducting and located on the floor of the enclosure. Three divider position and four divider heights (or aperture ratio Ap) are considered. The effect of the direction of the gravity vector is also investigated for a certain number of inclination angle. PIV (Particle Image Velocimetry) system has been used to measure the flow field within the cavity; contour velocity maps and streamlines has been extracted. Was found that for all the configurations and for the entire field of Ra analyzed, the flow pattern remains the same. However, increasing the tilting angle, the flow pattern within the cavity considerably changes and four different vortices can be seen for θ = π/2 . Experimental results have been compared with numerical data, obtained through CFD simulation: both pure convective and combined convective-radiative models have been adopted to predict the flow and thermal field. A very good agreement between experimental and numerical results was found, especially for the radiative model when Ap ≥ 2/5. Numerical isotherms and calculated Nusselt number value along the hot wall have been reported to evaluate the heat exchange. Results show that the inclination angle and the presence of the obstacle affected the thermal field within the cavity; divider height had a stronger effect on the enclosure heat transfer than the baffle position.

Il presente documento descrive il lavoro di ricerca effettuato relativamente alla convezione naturale in una cavità quadrata in presenza di un ostacolo verticale posizionato internamente. Il fluido analizzato è aria in condizioni di flusso laminare e stazionario; le pareti laterali della cavità sono raffreddate e riscaldate attraverso degli scambiatori a piastre. Gli effetti della posizione e dell’altezza dell’ostacolo, valutate a diversi angoli di inclinazione della cavità sono stati studiati attraverso prove sperimentali (PIV) e indagine numerica (CFD) e valutati per mezzo di mappe scalari di velocità, temperatura e line di flusso. I risultati sperimentali hanno mostrato come lo schema del flusso convettivo, caratterizzato da un vortice principale e uno secondario, rimanga sostanzialmente invariato nell’intero campo di Ra e per tutte le configurazioni considerate; solamente per angoli di inclinazione prossimi a π/2 il flusso si divide in quattro differenti vortici. I risultati del modello numerico mostrano un ridotto scostamento rispetto all’analisi sperimentale e permettono di individuare l’importanza dello scambio termico radiativo sulle configurazioni analizzate. La presenza dell’ostacolo e la variazione dell’angolo di inclinazione della cavità influenzano notevolmente l’intero campo di temperatura; tuttavia l’altezza dell’ostacolo ha un effetto maggiore sullo scambio termico attraverso le superfici della cavità rispetto alla posizione dello stesso.