Forced convective heat transfer in uniformly heated horizontal tubes 1st report—Experimental study on the effect of buoyancy

Abstract

In forced convective heat transfer in a horizontal straight tube, buoyancy is likely to have a serious effect on the velocity and temperature fields. This report is devoted to clarifying the effect of buoyancy by means of accurate experiments on the fully developed flow of air in a uniformly heated horizontal tube. Velocity and temperature distributions are measured for large Re Ra and in laminar flow these distributions are shown to be essentially different from those known so far, for example, the velocity profile of Poiseuille flow.

Nusselt numbers are calculated from the measured velocity and temperature distributions and shown to be about twice as large as those calculated by neglecting the effect of the secondary flow caused by buoyancy at ReRa = 4 × 10⁵. In turbulent flow, buoyancy has little effect on the velocity and temperature fields, but the critical Reynolds number is shown experimentally to be affected by the secondary flow.

Résumé

II semble que la poussée d'Archimède ait un effet important sur les champs de. Vitesse et de température, dans le transport de chaleur par convection forcée à l'intérieur d'un tube rectiligne horizontal.

Ce rapport a pour but de rendre apparent l'effet de la poussée d'Archimède au moyen d'expériences précises sur l'écoulement d'air entièrement développé à l'intérieur d'un tube chauffé uniformément. Les distributions de vitesse et de température sont mesurées pour de grandes valeurs du produit Re Ra et l'on montre que dans l'écoulement laminaire ces distributions sont essentiellement différentes de celles connues auparavant, comme, par exemple, le profil de vitesse de l'écoulement de Poiseuille.

Les nombres de Nusselt sont calculés à partir des distributions de vitesse et de température et l'on montre qu'ils sont environ deux fois plus grands que ceux calculés en négligeant l'effet de l'écoulement secondaire provoqué par la poussée d'Archimède pour Re Ra = 4. 10⁵. En écoulement turbulent, la poussée d'Archimède a peu d'effet sur les champs de vitesse et de température, mais l'on montre par l'expérience que le nombre de Reynolds critique est affecté par l'écoulement secondaire.

Zusammenfassung

Beim Wärmeübergang unter erzwungener Konvektion in einem waagerechten, geraden Rohr kann der Auftrieb einen spürbaren Einfluss auf die Geschwindigkeits- und Temperaturfelder ausüben. Diese Arbeit soll mit Hilfe genauer Versuche den Einfluss des Auftriebs auf eine voll ausgebildete Luftströmung in einem gleichmässig beheizten waagerechten Rohr klären. Beschwindigkeits- und Temperaturverteilungen wurden für grosse Re Ra gemessen; für Laminarströmung zeigen sich Verteilungen, die wesentlich von bisher bekannten abweichen, zum Beispiel vom Geschwindigkeitsprofil der Poiseuilleströmung.

Bei Re Ra = 4 x 10⁵ wurden Nusseltzahlen aus den gemessenen Geschwindigkeits- und Temperaturverteilungen berechnet und es zeigt sich, dass diese etwa doppelt so gross sind als die unter Vernachlässigung des Einflusses der vom Auftreib bewirkten Sekundärströmung errechneten Werte. Bei turbulenter Strömung hat der Auftrieb wenig Einfluss auf die Geschwindigkeits- und Temperaturfelder, doch lässt sich experimentell zeigen, dass die kritische Reynoldszahl-von der Sekundärströmung beeinflusst wird.