Laminar mixed convection in the thermal entrance region of horizontal rectangular channels with uniform heat input axially and uniform wall temperature circumferentially

Abstract

This paper presents a numerical study on laminar mixed convection in the thermal entrance region of horizontal rectangular channels with uniform heat input axially and uniform wall temperature circumferentially. A relatively novel numerical method of solution is developed to obtain the developing velocity and temperature fields. The values of Prandtl number are 0.7 and 7.2, corresponding to air and water, respectively. The values of Rayleigh number are 0, 10⁴, 3 × 10⁴ and 10⁵. The channel aspect ratios considered are 0.2, 0.5, 1, 2 and 5. Variations in local friction factor ratios and local Nusselt numbers are presented. It is found that the circumferential boundary condition of uniform wall temperature significantly increases the value of local Nusselt number as compared to that found in earlier works under the boundary condition of uniform wall heat flux. But the boundary condition effect on the friction factor is shown to be comparatively minor. The asymptotic solutions at z → are compared to the existing numerical data with good agreement.

On présente dans cet article une étude numérique sur la convection mixte laminaire dans la région d'entrée thermique de canaux rectangulaires horizontaux avec une entrée de chaleur uniforme sur le plan axial et une température de paroi uniforme sur la circonférence. On a mis au point une méthode de résolution numérique relativement nouvelle pour obtenir la vitesse de développement et les champs de température. Les valeurs du nombre de Rayleigh sont de 0, 10⁴, 3x 10⁴ et 10⁵. L'élancement des canaux considérés est de 0,2, 0,5, 1, 2 et 5. On présente les écarts pour les rapports locaux du facteur de friction et des nombres de Nusselt locaux. On a trouvé que la condition limite de la circonférence de la température de paroi uniforme augmente de façon significative la valeur du nombre de Nusselt local comparativement à celle trouvée dans les travaux antérieurs avec la condition limite du flux de chaleur à la paroi uniforme. Mais si on le compare, on montre que l'effet de la condition limite sur le facteur de friction est relativement faible. Les solutions asymptotiques à z ← ∞ sont comparées aux données numériques existantes et montrent un bon accord.