NUMERICAL STUDY OF NATURAL CONVECTION DOMINATED MELTING OF A PCM WITH CONJUGATE FORCED CONVECTION

摘要

This paper presents a numerical analysis of natural convection dominated melting inside a rectangular enclosure coupled with forced convection heat transfer in a transport fluid via a finite conductance heat exchanging surface. A computational methodology based on a stream function-vorticity-temperature formulation is adopted and the irregular shape of the moving solid-liquid interface is treated with body-fitted coordinates. The model is then employed to investigate the interaction between natural convection in the PCM filled cavity and forced convection in the HTF. Numerical experiments were carried out for Rayleigh numbers, Ra, between 2.08·10~8 and 4.60·10~9, modified Reynolds numbers, Re between 4.23 and 423.0, wall-PCM thermal diffusivity ratios, α, between 5.0 and 10.0 and dimensionless wall thickness, w, between 0.005 and 0.05. Results show that the melting process is increasingly delayed by heat conduction across a wall of decreasing thermal conductivity and/or increasing thickness. This effect is accentuated for low HTF flow rates (Re ～ 4.23). On the other hand, for a wall of given thickness and thermal conductivity, the effect of increasing the HTF flow rate on the melting process becomes imperceptible for Re ≥ 4.23.%Une étude numérique de la fusion d'un matériau à changement de phase (MCP) en présence de convection naturelle couplée à l'écoulement en convection forée d'un caloporteur a été entreprise. La méthode numérique pour la résolution des équations de conservation repose sur une formulation courant-vorticité-température et le front de fusion est suivi à l'aide de coordonnées curvilignes. Une analyse paramétrique a été réalisée pour un nombre de Rayleigh, Ra, variant entre 2.08?10~8 et 4.60·10~9, un nombre Reynolds modifié, Re, variant entre 4.23 et 423.0, un rapport de conductivités thermiques mur-MCP α de 5.0 et 10.0 et une épaisseur adimensionnée de mur, w, variant entre 0.005 et 0.05. Les résultats démontrent que le processus de fusion est retardé de plus en plus par la conduction de chaleur dans le mur au fur et à mesure que sa conductivité thermique décroît et/ou son épaisseur croît. Cet effet est prononcé pour des faibles débits due caloporteur (Re ～ 4.23). D'autre part, l'effet d'accroître le débit du caloporteur au-delà de Re = 4.23 est négligeable sur le phénomène de fusion.