Abstract
To explore the influence of the developing flow in a flat channel on the laminar forced convection heat transfer, the non-linear momentum and the linear energy equation are solved successively by employing the Galerkin-Kantorowich method of variational calculus. Assuming constant fluid properties, negligible axial diffusion and temperature boundary condition of the third kind, semi analytic solution for velocity and temperature is derived. The local Nusselt numbers are tabulated for various values of Biot and Prandtl number.
Zusammenfassung
Um den Einfluß der sich ausbildenden Strömung auf die laminare erzwungene Konvektion in einem ebenen Spalt zu untersuchen, werden die nicht-lineare Impuls- und lineare Energiegleichung mit dem Galerkin-Kantorowitsch-Verfahren der Variationsrechnung hintereinander gelöst. Unter der Annahme der konstanten Stoffwerte, der vernachlässigbaren axialen Diffusion und der Temperatur-Randbedingung dritter Art wird eine semi analytische Lösung für die Geschwindigkeit und Temperatur abgeleitet. Die lokalen Nusselt-Zahlen sind für verschiedene Biot- und Prandtl-Zahlen in den Tabellen wiedergegeben.
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Abbreviations
- A:
-
channel cross section
- Bi:
-
Biot number, Eq. (5)
- F:
-
a vector, Eq. (7)
- Nu:
-
Nusselt number, Eq. (27)
- Pe:
-
Peclet number, Eq. (5)
- Pr:
-
Prandtl number, Eq. (5)
- Re:
-
Reynolds number, Eq. (5)
- T:
-
temperature
- c:
-
half channel height, Fig. 1
- cp :
-
specific heat at constant pressure
- dh :
-
hydraulic diameter
- f:
-
a function, Eq. (7)
- h:
-
heat transfer coefficient, Eq. (27)
- k:
-
over-all heat transfer coefficient, Eq. (4)
- p:
-
pressure
- s:
-
characteristic value, Eq. (7)
- v:
-
velocity
- x, y, z:
-
cartesian coordinate
- β:
-
a parameter, Eq. (6)
- λ:
-
thermal conductivity
- ν:
-
kinematic viscosity
- ρ:
-
density
- [ ]:
-
matrix
- { }:
-
column vector
- a:
-
ambient
- d:
-
fully developed
- e:
-
entrance value at x=0
- ent:
-
entrance region, Eq. (19)
- i, j:
-
running index
- inf:
-
asymptotic value at x → ∞
- m:
-
mean value
- w:
-
wall
- x, y, z:
-
cartesian coordinate direction
- −:
-
dimensionless quantity, Eq. (5)
Literature
Sparrow, E.M.: Analysis of laminar forced convection heat transfer in entrance region of flat rectangular ducts. National Advisory Committee for Aeronautics, Washington, Technical Note 3331 (Jan. 1955)
Stephan, K.: Wärmeübergang und Druckabfall bei nicht ausgebildeter Laminarströmung in Rohren und in ebenen Spalten. Chemie-Ing. Techn.31 (1959) 773–778
Hwang, C.L.; Fan, L.T.: Finite difference analysis of forced convection heat transfer in entrance region of a flat duct. Appl. Sci. Res. A13 (1964) 401–422
Siegel, R.; Sparrow, E.M.: Simultaneous development of velocity and temperature distributions in a flat duct with uniform wall heating. A.I. Ch. E. Journal5 (1959) 73–75
Han, L.S.: Simultaneous developments of temperature and velocity profiles in flat ducts. Int. Development in Heat Transfer, Part III, Am. Soc. Mech. Engrs. New York (1961) 591–597
Javeri, V.: Bestimmung der laminaren Geschwindigkeits- und Temperaturfelder im thermischen Einlaufgebiet eines MHD-Kanals mit dem Kantorowitsch-Verfahren. Diss. TU Berlin (1972)
Kantorowitsch, L.W.; Krylow, W.: Näherungsverfahren der höheren Analysis, Kap. 4. Berlin: VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften (1956)
Krajewski, B.: Ein direktes Variationsverfahren zur Behandlung der Wärmeübertragungsprobleme für erzwungene Konvektion. Int. J. Heat Mass Transfer16 (1973) 469–483
Han, L.S.: Hydrodynamic entrance lengths for incompressibel laminar flow in rectangular ducts, J. Appl. Mech.27 (Spt. 1960) 403–409
Sparrow, E.M.; Lin, S.H.; Lundgren, T.S.: Flow development in the hydrodynamic entrance region of tubes and ducts. Physics of Fluids7 (March 1964) 338–347
Javeri, V.: Magnetohydrodynamic channel entrance flow analysis with the Kantorowich method. Institut für Kerntechnik, Techn. Univ. Berlin, TUBIK47 (1975)
Arpaci, V.S.: Conduction Heat Transfer. Reading: Addison-Wesley (1966)
Kays, W.M.: Convective Heat and Mass Transfer. New York: McGraw-Hill (1966)
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Javeri, V. Heat transfer in laminar entrance region of a flat channel for the temperature boundary condition of the third kind. Warme- und Stoffubertragung 10, 137–143 (1977). https://doi.org/10.1007/BF01682707
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DOI: https://doi.org/10.1007/BF01682707