On the solution of fluid flow and heat transfer problem in a 2D channel with backward-facing step


Cite item

Full Text

Abstract

The stable stationary solutions of the test problem of hydrodynamics and heat transfer in a plane channel with the backward-facing step have been considered in the work for extremely high Reynolds numbers and expansion ratio of the stream $ER$. The problem has been solved by numerical integration of the 2D Navier--Stokes equations in `velocity-pressure' formulation and the heat equation in the range of Reynolds number $500 \leqslant {\sf Re} \leqslant 3000$ and expansion ratio $1.43 \leqslant ER \leqslant 10$ for Prandtl number ${\sf Pr} = 0.71$. Validity of the results has been confirmed by comparing them with literature data. Detailed flow patterns, fields of stream overheating, and profiles of horizontal component of velocity and relative overheating of flow in the cross section of the channel have been presented. Complex behaviors of the coefficients of friction, hydrodynamic resistance and heat transfer (Nusselt number) along the channel depending on the problem parameters have been analyzed.

About the authors

Alexander A Fomin

T. F. Gorbachev Kuzbass State Technical University

Email: fomin_aa@mail.ru
Cand. Phys. & Math. Sci.; Senior Researcher; Dept. for Development and International Cooperation 28, Vesennaya str., Kemerovo, 650000, Russian Federation

Liubov N Fomina

Kemerovo State University

Email: lubafomina@mail.ru
Cand. Phys. & Math. Sci., Associate Professor; Associate Professor; Dept. of Information and Computing Technology 6, Krasnaya st., Kemerovo, 650043, Russian Federation

References

  1. Taylor T. D., Ndefo E. Computation of Viscous Flow in a Channel by the Method of Splitting, In: Proceedings of the Second International Conference on Numerical Methods in Fluid Dynamics, Lecture Notes in Physics, 8; ed. M. Holt. Berlin, Heidelberg, Springer, 1971, pp. 356-364. doi: 10.1007/3-540-05407-3_51.
  2. Erturk E. Numerical Solutions of 2-D Steady Incompressible Flow Over a Backward-Facing Step, Part I: High Reynolds Number Solutions, Computers & Fluids, 2008, vol. 37, no. 6, pp. 633-655. doi: 10.1016/j.compfluid.2007.09.003.
  3. Tihon J., Penkavova V., Havlica J., Šimcik M. The transitional backward-facing step flow in a water channel with variable expansion geometry, Exp. Therm. Fluid Sci., 2012, vol. 40, pp. 112-125. doi: 10.1016/j.expthermflusci.2012.02.006.
  4. Valencia A., Hinojosa L. Numerical Solutions of Pulsating Flow and Heat Transfer Characteristics in a Channel with a Backward-Facing Step, Heat Mass Transfer, 1997, vol. 32, no. 3, pp. 143-148. doi: 10.1007/s002310050104.
  5. Erturk E. Discussions on Driven Cavity Flow, Int. J. Numer. Meth. Fl., 2009, vol. 60, no. 3, pp. 275-294. doi: 10.1002/fld.1887.
  6. Fomin A. A., Fomina L. N. Numerical simulation of viscous incompressible fluid in a short plane channel with backward-facing step, Matem. Mod., 2016, vol. 28, no. 5, pp. 32-46 (In Russian).
  7. Batenko S. R., Terekhov V. I. Friction and Heat Transfer in a Laminar Separated Flow behind a rectangular Step with porous injection or Suction, J. Appl. Mech. Tech. Phys., 2006, vol. 47, no. 1, pp. 12-21. doi: 10.1007/s10808-006-0002-7.
  8. Abu-Nada E., Al-Sarkhi A., Akash B., Al-Hinti I. Heat Transfer and Fluid Flow Characteristics of Separated Flows Encountered in a Backward-Facing Step under the Effect of Suction and Blowing, J. Heat Trans., 2007, vol. 129, no. 11, pp. 1517-1528. doi: 10.1115/1.2759973.
  9. Loitsyanskiy L. G. Mechanics of Liquids and Gases. New York, Begell House, 1995, 971 pp.
  10. Belotserkovskii O. M., Gushchin V. A., Shchennikov V. V. Use of the splitting method to solve problems of the dynamics of a viscous incompressible fluid, USSR Computational Mathematics and Mathematical Physics, 1975, vol. 15, no. 1, pp. 190-200. doi: 10.1016/0041-5553(75)90146-9.
  11. Patankar S. V. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. New York, Hemisphere Publ. Corp., 1980, 197 pp.
  12. Fomin A. A., Fomina L. N. Neiavnyi iteratsionnyi polineinyi rekurrentnyi metod resheniia raznostnykh ellipticheskikh uravnenii [The Implicit Iteration Line-by-Line Recurrence Method for Solving Difference Elliptical Equations]. Kemerovo, Kemerovo State Univ., 2012, 314 pp. (In Russian)
  13. Gartling D. K. A test problem for outflow boundary conditions-flow over a backwardfacing step, Int. J. Numer. Meth. Fl., 1990, vol. 11, no. 7, pp. 953-967. doi: 10.1002/fld.1650110704.
  14. Cruchaga M. A. A study of the backward-facing step problem using a generalized streamline formulation, Commun. Numer. Meth. En., 1998, vol. 14, no. 8, pp. 697-708. doi: 10.1002/(SICI)1099-0887(199808)14:8<697::AID-CNM155>3.0.CO;2-0.
  15. Teruel F. E., Fogliatto E. Numerical Simulations of Flow, Heat Transfer and Conjugate Heat Transfer in the Backward-Facing Step Geometry, Mecánica Computacional, 2013, vol. 32, no. 39 (Heat and Mass Transfer (C)), pp. 3265-3278, http://www.cimec.org.ar/ojs/index.php/mc/article/view/4551.
  16. Tsay Y.-L., Chang T. S., Cheng J. C. Heat transfer enhancement of backward-facing step flow in a channel by using baffle installation on the channel wall, Acta Mechanica, 2005, vol. 174, no. 1-2, pp. 63-76. doi: 10.1007/s00707-004-0147-5.
  17. Lewis R. W., Nithiarasu P., Seetharamu K. N. Fundamentals of the Finite Element Method for Heat and Fluid Flow. Chichester, John Wiley & Sons, Ltd., 2000, 341 pp. doi: 10.1002/0470014164.
  18. Kondoh T., Nagano Y., Tsuji T. Computational study of laminar heat transfer downstream of a backward-facing step, Int. J. Heat Mass Tran., 1993, vol. 36, no. 3, pp. 577-591. doi: 10.1016/0017-9310(93)80033-Q.
  19. Armaly B. F., Durst F., Pereira J. C. F., Schönung B. Experimental and theoretical investigation of backward-facing step flow, J. Fluid Mech., 1983, vol. 127, pp. 473-496. doi: 10.1017/S0022112083002839.
  20. Vlasova S. S., Prosviryakov E. Yu. Two-dimensional convection of an incompressible viscous fluid with the heat exchange on the free border, Vestn. Samar. Gos. Tekhn. Univ. Ser. Fiz.-Mat. Nauki [J. Samara State Tech. Univ., Ser. Phys. Math. Sci.], 2016, vol. 20, no. 3, pp. 567-577. doi: 10.14498/vsgtu1483.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2017 Samara State Technical University

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».