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Viscosity and heat transfer in fluidized snow

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

N. Maeno
Affiliation:
Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University, Sapporo, Japan 060
K. Nishimura
Affiliation:
Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University, Sapporo, Japan 060
Y. Kaneda
Affiliation:
Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University, Sapporo, Japan 060
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Fluidized snow was produced in a cold laboratory and its viscosity and heat transfer were studied. The viscosity of the fluidized snow was measured with a modified Stormer-type viscometer. It was found that the apparent viscosity decreased with increasing air velocity and decreasing particle diameter. Two mechanisms were suggested as producing the viscosity of the fluidized snow on the basis of the plot of the viscosity against the reciprocal of the air velocity.

The heat-transfer coefficient was obtained by measuring the temperature of a cooled brass sphere suspended in the fluidized snow. The heat-transfer coefficient in the fluidized snow was three or four times larger than that in an air flow containing no snow particles. The increase was attributed to the enhanced turbulence of air flow and the collision of snow particles; the contribution of the latter was estimated to be 80 to 90% of the total increase due to the fluidization of snow. These results were also confirmed in an artificial blowing snow produced in a cold horizontal wind-tunnel by measuring the heat-transfer coefficient, wind velocity, and drift density.

Résumé

Résumé

De la neige en suspension est produite dans un laboratoire froid et on étudie sa viscosité et ses propriét és de transfert thermique. La viscosité de la neige en suspension a été mesurée avec un viscosimétre modifié du type de Stormer, On a trouvé que la viscosité apparente diminue lorsque croit la vitesse de l’air et que décroit le diamétre des particules. On suggére deux mécanismes pour travailler sur la viscosité de la neige en suspension sur la base d’un diagramme de la viscosit é en fonction de l’inverse de la vitesse de l’air.

Le coefficient de transfert thermique est obtenu en mesurant la température d’unc sphére de laiton refroidie suspendue dans la neige en suspension. Le coefficient du transfert thermique dans la neige en suspension est deux ou trois fois plus grand que dans un courant d’air sans particules en suspension. Cet accroissement est attribué à l’obstacle opposé à la turbulence de l’air et aux chocs entreparticules; la contribution de ce dernier phénoméne est estimé expliquer 80 à 90% de l’accroissement total dȗ à la présence de neige en suspension. Ces résultats sont également confirmés dans un courant de chasse neige artificiel produit dans un tunnel froid horizontal où l’on mesurait le coefficient de transfert thermique, la vitesse du vent et la densité du chasse-neige.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die Viskosität und Wärmeleitung fliessenden Schnees, hergestellt in einem Kältelabor, wurden untersucht. Die Viskosität wurde mit einem modifizierten Viskometer vom Stormer-Typ gemessen. Es zeigte sich, dass die scheinbare Viskosität mit wachsender Luftgeschwindigkeit und mit abnehmendem Partikeldurchmesser abnahm. Aus der Aufzeich- nung der Viskosität gegen den Kehrwert der Luftgeschwindigkeit lässt sich die Wirkung zweier Mechanismen auf die Viskosität des fliessenden Schnees folgern.

Der Wärmekoeffizient wurde durch Messung der Temperatur einer gekühlten Messingkugel erhalten, die im fliessenden Schnee hing; er ergab sich drei- oder viermal grösser als der in einem Luftstrom ohne Sehneepartikel. Sein Anwachscn lässt sich der erhöhten Turbulenz des Luftstroms und der Kollision zwischen Schneepartikel zuschreiben; der Beitrag der letzteren wurde auf 80 bis 90% der gesamten Zunahme infolge des Schneefliessens abgeschätzt. Diese Ergebnisse wurden auch durch Messung des Wärmckoeffizienten, der Luftgeschwindigkeit und der Driftdichte in Schnee bestätigt, der in einem kalten horizontalen Windkanal künstlich verblasen wurde.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © The Author(s) 1980 
Figure 0

Fig. 1.Photographs showing the fluidized snow produced in a transparent tube 40 mm in inner diameter. A: Particle diameter d= 0.70mm, air velocity u = 0.5 m s₋1; B: d = 0.70m, u = 0.6m s₋1; C: d = 1.25mm, u = 0.6 m s₋1. Temperature was — 14°C.

Figure 1

Fig. 2.Viscosity coefficient of fluidized snow versus the distance form the bottom of the fluidized snow. M is the mass of snow sample and arrows indicate the positions of the top of the fluidized snow, so that the average densities of the fluidized snow for d =1.95 mm, 1.25 mm, and 0.70 mm are respectively ρ = 439, 256, and 236 kg m₋3at u = 0.53 ms₋1 and ρ= 263, 219, and 206 kg m₋3 at u= 1.06 m s₋1.

Figure 2

Fig. 3.Viscosity coefficient versus the air velocity. The mass of the snow sample is M = 24.8 g (d = 1.95 mm), 28.9 g (d = 1.25 mm), and 29.7 g (d = 0.70 mm).

Figure 3

Fig. 4.Time variation of the normalized temperature of the sphere.

Figure 4

Fig. 5.Heat-transfer coefficient in fluidized snow versus the distance from the bottom of the fluidized snow. Arrows indicate the positions of the top of the fluidized snow. The average densities of the fluidized snow are ρ = 276 kg m₋3 at u = 0.53 m s₋1 and ρ = 170 kg m₋3 at u = 1.06 m s₋1.

Figure 5

Fig. 6.Heat-transfer coefficient in the fluidized snow versus the air velocity. The solid line G indicates the heat-transfer coefficient calculated from Equation (4).

Figure 6

Fig. 7.Viscosity coefficient of fluidized snow plotted against the reciprocal of the air velocity.

Figure 7

Table I.VALUES OF HEAT-TRANSFER COEFFICIENT

Figure 8

Fig. 8.Photographs showing the particle motions in blowing snow produced in a cold wind-tunnel at —9.3°C. The time interval marked on each trajectory of snow particles is 3.6 ms. The direction of wind is from the right to the left.

Figure 9

Fig. 9.Photograph of snow particles in blowing snow taken under a single shot of screened stroboscopic light lasting 25 µs. The experimental condition is the same as in Figure 8.

Figure 10

Fig. 10.Profiles of snow-drift density ρ, mean wind velocity u, and heat-transfer coefficient h, which were measured in the blowing snow shown in Figures 8 and 9.