Natural convection in a vertical channel with opposing buoyancy forces

Free convection in a vertical channel within which the buoyancy force reverses its sign has been studied experimentally and theoretically. The experimental system consisted of a channel formed between two vertical plates, one porous and the other solid. Both plates were maintained at uniform surface temperatures, higher than the ambient, while a heavy gas (CO 2) was transpired into the channel through the porous plate. The temperature and CO 2 concentration fields in the channel were measured by combined use of a thermocouple probe and Mach-Zehnder interferometry. The temperature and concentration fields were also determined via a finite difference solution of the time dependent boundary layer equations. As the time dependent equations are parabolic in time, the solution may be stepped forward in time using centered finite differences for spatial derivatives until a steady state solution is reached. A finite difference scheme may thus be constructed which is stable regardless of the sign of the streamwise velocity component. The solutions thus obtained reveal many interesting features of this complex flow, including the effects of opposing buoyancy forces on the axial velocity profiles. Measured profiles of temperature and concentration showed close agreement with the theoretical predictions. La convection naturelle dans un canal vertical, avec des forces massiques qui changent de signe, est étudiée expérimentalement et théoriquement. Le montage expérimental comprend un canal entre deux plaques verticales, l'une poreuse, l'autre pleine. Les deux plaques sont maintenues à des températures uniformes supérieures à celle de l'ambiance et un gaz lourd (CO 2) transpire à travers la plaque poreuse vers le canal. Les champs de température et de concentration de CO 2 sont mesurés en utilisant une sonde à thermocouple et l'interférométrie Mach-Zehnder. Les champs de température et de concentration sont calculés par une méthode aux différences finies appliquées aux équations de couche limite non stationnaires. Comme les équations sont paraboliques vis-àvis du temps, la solution peut être cherchée en utilisant des différences finies centrées pour les dérivées spatiales jusqu'à ce que la solution de régime permanent soit atteinte. Un schéma de différences finies peut être construit qui soit stable quelque soit le signe de la composante de vitesse. Les solutions obtenues montrent plusieurs aspects de cet écoulement complexes en incluant les effets des forces massiques o