侧加热腔体内重力波演化过程的数值模拟

利用二维数值模拟的方法研究了侧加热腔体内的自然对流．基于数值模拟结果,描述了水平热入侵流(intrusion)的整个演化过程,并对该过程的物理机制进行了讨论．结果表明：当热入侵流抵达腔体冷壁后,由于冷壁无法卷入所有的热入侵流,热入侵流在冷上角堆积并产生一个反向流动,在冷壁边界层附近形成一个顺时针涡,该涡在浮力效应驱动下可返回热壁,并在腔体的冷热壁之间形成了腔体尺度的流体振荡,即内重力波．     

侧壁面正弦加热条件下自然对流研究

通过采用SIMPLE算法求解二维流体力学基本方程组,研究了侧壁面正弦加热条件下普朗特数Pr=6.94的流体自然对流的动力学特性。结果表明,当格拉晓夫数Gr=4.4×10~3时系统由稳态阶段向周期阶段转变。在周期性阶段存在两种特殊的对流结构,它们是单局部对流卷和双局部对流卷;给出了特征物理量的分布及变化规律;说明垂直最大流速、水平最大流速、努塞尔数随着格拉晓夫数的增加而增加。最后,分析了腔体宽度对热壁面传热能力的影响,发现:当高宽比一定条件下,腔体宽度较大时,热壁面的传热能力较弱;对于宽度d分别为1cm和2cm的腔体,随着格拉晓夫数增大,最大努塞尔数的差值增大。     

正弦波温度边界下多孔介质方腔内非热平衡对流传热数值模拟

采用局部非热平衡模型,在方腔左侧壁面温度正弦波变化、右侧壁面温度均一的边界条件下,通过SIM-PLER算法数值研究了固体骨架发热多孔介质方腔内的稳态非达西自然对流,主要探讨了不同正弦波波动参数N及方腔的高宽比M/L对方腔内自然对流与传热的影响规律。计算结果表明:正弦波温度边界使得方腔内的流场出现了复杂的变化,流体及固体区域左侧壁面附近出现了周期性的正负变化的温度场分布,左侧壁面局部Nusselt数出现了周期性的震荡现象;存在一个最佳温度波动参数N=1,此时多孔介质方腔内的整体散热量达到最大值;增加方腔高宽比会显著地削弱方腔内的自然对流传热过程,小高宽比也会在一定的程度上削弱多孔介质方腔内的对流传热。     

格拉晓夫数Gr对侧向局部加热腔体内对流结构的影响

通过二维流体力学基本方程组数值模拟,研究了Pr=6.949时侧向局部加热腔体内不同格拉晓夫数Gr对对流结构的影响.发现随着格拉晓夫数Gr增加出现以下四种情况:准定常流→单局部周期滚动→双局部周期滚动→定常流.还分析了周期对流阶段的对流特性.随着格拉晓夫数Gr增大,对流卷随时间移动的周期减小.随Gr增大,在0≤≤Y 5.2和0.5≤≤Y 5.7范围内对流卷逐渐消失,在5.2≤≤Y5和5.7≤≤Y10范围内对流卷由单对流卷变为多对流卷.     

侧向局部加热对流斑图的演化

通过二维流体力学方程组的数值模拟,探讨了普朗特数Pr(28)703.0时高宽比A(28)10矩形腔体内侧向局部加热自然对流在初始小扰动下的成长情况和格拉晓夫数(Gr)对对流的影响规律.研究表明,流速场线性成长阶段扰动的成长率mγ是格拉晓夫数的函数,并给出了成长率随着格拉晓夫数的变化关系式.随着Gr数的增加,对流斑图按定常流—周期—准周期变化,在周期性阶段观察到了2种新的对流斑图,即相位错位对流斑图和同相位对流斑图.最后,探讨了腔体尺寸(d)对对流振幅和热壁面传热能力的影响.     

腔体高度对Rayleigh-Bénard对流的影响的二维数值分析

腔体高度的改变会对Rayleigh-Bénard对流产生影响.本文利用二维流体力学基本方程组进行数值模拟,在相对瑞利数r(28)5,腔体高度0 0 0 0 0d(28)1d,1.4d,1.8d,2d,3d(cm10d(28))时,研究了对流运动的动力学特性,发现随着腔体高度d的增加,稳定对流的对流圈数与之呈线性反比例关系,而对流波数k随之基本保持恒定;对流稳定后,对流振幅和努塞尔数随腔体高度d增大而减小,且得出对流振幅和努塞尔数随着相对腔体高度0/dd变化的函数关系式.在腔体高度0 0 0d(28)1d,1.4d,1.8d情况下,对流振幅和努塞尔数都随相对瑞利数r的增大而增大;且腔体高度d越大,其增长率反而越小.     

密度处理方法在圆柱腔体大温差自然对流数值模拟中的影响

采用Boussinesq近似、不可压-理想气体及密度线性差分三种密度处理方法对大温差(?Tmax=1000K)竖直圆柱腔体的定常自然对流进行了模拟.首先,通过模拟一封闭方腔流动并与文献对比,验证了数值模拟方法的有效性.在此基础上,进一步研究了圆柱腔体中表面曲率κ、瑞利数Ra及温差ΔT的影响,特别是这些因素影响下不同密度处理方法对热壁面平均努谢尔特数Nuave数值结果的影响.结果表明,表面曲率κ是影响圆柱腔体自然对流换热的重要因素,且随着κ的不断减小,其Nuave数会逐渐趋近于方腔对流;同时,在温差ΔT和表面曲率κ较大时,基于Boussinesq近似的方法对Nuave的预测存在较大偏差.     

大高宽比矩形腔体侧向正弦加热下对流扰动的成长和传热特性

为了研究矩形腔体侧向正弦周期加热条件下对流扰动的成长和传热特性,本研究对流体力学方程组进行了数值模拟。结果表明：随着格拉晓夫数Gr的增加,对流扰动的最大振幅A_max的成长率变大,线性成长阶段的时间变短。对于高宽比A=10,腔体宽度d=2 cm的腔体,普朗特数Pr=6.949的流体,对流扰动的成长率γ_m随着格拉晓夫数Gr变化的经验式为γ_m=9×10^-8 Gr^{1.234 3};对于高宽比A=10、腔体宽度d=6 cm的腔体,普朗特数Pr=0.703的流体,成长率γ_m随着格拉晓夫数Gr的变化关系式为γ_m=8×10^-4 Gr^0.52。当Pr=0.027 2时,热壁面平均努塞尔数■和格拉晓夫数Gr的关联式为■;当Pr=6.949时,■。随着格拉晓夫数Gr数增加,右壁面的传热能力增强。     

水平流动对周期加热的Rayleigh-Bénard对流的影响

采用二维流体力学基本方程组对普朗特数Pr=0.0272的具有水平流动周期性加热的Rayleigh-Bénard对流特性进行数值模拟.结果说明,当相对瑞利数给定时,对流斑图的形成取决于水平流动强度.由对流斑图随着时间的变化确定了对流周期.随着相对瑞利数的减小,对流周期适应的水平流动强度减小,并且水平流动强度的存在范围减小.随着相对瑞利数的增加,对流周期变小.随着水平流动强度的增加,对流周期变小,并且对流周期变化的梯度变小.随着水平流动强度的增加,两个局部行波对流区的范围减小,水平流动区间增加.然后,随着水平流动强度的进一步增加,第一对流区先消失.当水平流动强度足够大时第二对流区也消失.腔体内形成水平流动.随着相对瑞利数的增大,第一对流区和第二对流区消失的临界水平流动强度也增大.     

局部行波对流的时空结构

通过流体力学方程的数值模拟,研究了矩形腔体长高比Γ(28)20和混合流体分离比ψ(28)-0.4的无缺陷的局部行波对流和有缺陷的局部行波对流的特性。结果表明:局部行波可以存在于腔体左端壁附近,也可以存在于右端壁附近,但传播方向始终在背离端壁面的方向,对流存在区间长度随着相对瑞利数r的增加而增加;沿着对流分叉曲线增加r,当r超过临界值后,系统从无缺陷的局部行波过渡到有缺陷的局部行波状态;对于流体参数,无缺陷的局部行波存在于r∈[1.519,1.600],有缺陷的局部行波存在于r∈(1.600,1.670];有缺陷的局部行波中对流区间长度随着r增加基本保持为常数;缺陷出现在腔体中的相对位置基本不变,距背离传播方向的端壁5.8左右,缺陷出现的周期随着r增加呈增加趋势,腔体的长高比足够大是出现有缺陷的局部行波的一个必要条件。     

一种用于分析封闭腔内湍流自然对流换热的k-ε新模型

由于目前用于求解湍流自然对流流动与传热的k-ε模型在应用过程中存在不足,结合高雷诺数k-ε模型需要借助壁面函数法来确定壁面上相关参数值和低雷诺数k-ε模型在近壁区布置更多节点以便获得粘性底层详细信息的特点,重新定义了湍流普朗特数σt的计算式,提出了一种修正的k-ε新模型;利用该模型对封闭方腔内的湍流自然对流流动与传热进行了数值分析。结果表明:与文献中数值模拟结果相比,当108≤Ra≤1014时本文模型所得壁面平均努塞尔特数更接近文献中的实验值,与实验值之间的相对误差在8%以内;壁面的局部努塞尔特数与文献中的实验值吻合得较好。这说明本文模型用于求解封闭腔内湍流流动与传热问题是合适的,比其它湍流模型更能准确地描述封闭腔内湍流自然对流换热中边界层发展与壁面传热特性之间的内在联系。     

双流体Rayleigh—Benard对流中的局部行波

Rayleigh-Benard对流是研究非平衡对流的斑图（Pattem）及非线性动力学特性的典型模型之一。据此，通过流体力学基本方程组的数值模拟，探讨了分离比沙-0．4时双流体局部行波的形成过程；讨论了双流体局部行波流速场、温度场、浓度场、平均浓度流的结构和特性，分析了局部行波被局部化的原因。研究结果表明：局部行波始终在背离端壁方向传播并被限定在此端，它存在于腔体左端还是右端取决于经过过渡后对传波中最终控制腔体的一支行波的传播方向；在局部行波的存在范围内（1．519≤r≤1．604），随相对瑞利数增加，衡量对流振幅的最大垂直流速、特征通过流体层的垂直热流量的努塞尔数、局部行波宽度等都在增加，但反映浓度特性的混合参数减小。     

极小长高比腔体内混合流体Undulation行波对流

通过二维流体力学基本方程组模拟了具有较强Soret效应(分离比ψ=-0.47)的混合流体在极小长高比(Γ=4)腔体内的Rayleigh-Benard对流运动.研究了极小长高比行波对流的动力学特性,得到了稳定的Undulation行波存在的r值范围,给出了稳定后的Undulation行波摆动周期Tp的变化规律,分析了极小长高比行波对流的r依赖性及稳定性.首次发现极小长高比Γ=4时,与长高比Γ=12和Γ=8时相比,在腔体两端的滚动生成和消失的现象不再出现.讨论了长高比对Undulation行波向行波过渡的影响.     

磁场对多孔介质方腔内空气热磁对流的影响

数值分析了微重力下圆形载流线圈倾斜时多孔介质方腔内空气热磁对流. 磁场计算采用毕奥--萨伐定律求解; 动量方程与能量方程分别采用达西模型与局部热非平衡模型求解. 计算结果表明随着磁场力数\gamma 数和Da数的增加, 方腔内对流变得越来越强. 线圈倾斜角x_{\rm euler}从0^\circ到90^\circ变化时, 对流结果关于x_{\rm euler}=45^\circ呈现对称分布. Nu_{\rm m}数随线圈倾斜角的改变而变化且每个工况下局部最大Nu_{\rm m}数出现在x_{\rm euler}=45^\circ. 局部最小Nu_{\rm m}数出现在x_{\rm euler}=0^\circ, 90^\circ.      

浮力对混合对流流动及换热特性的影响

用热线和冷线相结合的技术测量垂直圆管内逆混合对流流体的平均速度、 温度以及它们的脉动. 较详细地研究了浮力对逆混合对流的流动特性和传热特性的影响. 评 估了实验中采用的冷线测量温度补偿速度探头温度敏感的影响. 逆混合对流的传热结果用无 量纲参数Ω (Ω= Grd / Red2 )来表示，其中，基于管道直 径的雷诺数Red变化范围为900~18000, 浮力参数Ω变化范围为 0.004899~0.5047. 研究结果表明，浮力对逆混合对流的换热有强化作用. 随着葛拉晓夫数Grd的增加，温度脉动，流向雷诺正应力和流向温度通量增 大，并且在靠近壁面的流体区域尤其明显. 热线与冷线相结合的技术适合于研究非绝热的流 动测量，可以用于研究浮力对流动和换热特性的影响.     

侧加热腔内的自然对流

开展侧加热腔内自然对流的研究具有重大的环境及工业应用背景. 总结侧加热腔内水平温差驱动的自然对流的最新研究进展, 并概述相应的流动性质、动力机制和传热特性以及对不同无量纲控制参数的依赖也有重要的科学价值. 已取得的研究结果显示突然侧加热的腔内自然对流的发展可包括初始阶段、过渡阶段和定常或准定常阶段. 不同发展阶段的流动依赖于瑞利数、普朗特数及腔体的高宽比, 且定常或准定常阶段的流态可以是定常层流流动、非定常周期性流动或者湍流流动. 此外, 回顾了对流流动失稳机制的研究成果以及湍流自然对流方面的新进展. 最后, 展望了侧加热腔内的自然对流研究的前景.      

混合流体局部行波对流斑图选择的初值依赖性

利用Simple算法对流体力学基本方程组进行了数值模拟,初步研究了局部行波对流斑图选择的初值依赖性问题。分离比ψ-(28)6.0、相对瑞利数r(28)2.1时依赖于初值的有间歇性缺陷的行波,位于腔体右端的局部行波和位于腔体左端的局部行波的多重稳定性;分离比ψ(28)-0.6、相对瑞利数r在1.855~2.118范围内依赖于初值的位于腔体右端的局部行波和位于腔体左端的局部行波的多重稳定性等。虽然在不同初值下,局部行波存在的区间有所不同,局部行波的空间位置有所不同,但局部行波的特性参数变化规律基本一致。结果说明混合流体局部行波对流斑图选择的初值依赖性是存在的。     

具有强SORET效应的混合流体Undulation行进波对流斑图

本文通过流体力学基本方程组的数值模拟,探讨了具有强Soret效应（分离比ψ=-0．6）的混合流体Undulation行进波对流斑图的动力学特性。在相对瑞利数r〈6．436时,首次发现一种没有源缺陷的左右相对传播的CPW（Counter propagating waves）状态向行进波状态的过渡形式。在r=6．436—10.8的范围内,发现了两种不同结构的Undulation行进波对流斑图。当6．436〈r〈10时,出现了腔体内的平均波数在时间上变化且局部波数或当地波数在空间和时间上连续变化的Undulation行进波对流斑图。当r=10—10．8时,出现了腔体内的平均波数在时间上保持为常数而局部波数或当地波数在空间和时间上连续变化的Undulation行进波斑图。在两种状态下,Undulation行进波的摆动周期随瑞利数r增大而减小,它的对流振幅和Nusselt数随瑞利数r增大而增加。在Undulation行进波斑图形成以前,存在以中心为对称的Undulation行进波斑图,它的存活时间依赖于r。当r增加到11．0时,Undulation行进波过渡到定常对流状态。     

周期加热的Rayleigh-Benard对流时空结构

通过二维流体力学基本方程组的数值模拟,研究了普朗特数Pr=6.99时矩形渠槽周期加热对Rayleigh-Benard对流时空结构的影响．当水平流动强度Re=0时,发现稳定的由周期加热引起的局部定常对流．当Re比较小时,对流滚动抑制水平流动,获得了由周期加热引起的局部行波对流．当水平流动强度比较大时,由于周期加热与水平流动相互作用,水平流动抑制部分对流滚动,导致对流区域上游附近出现传导区域,对流区域减小,从而形成一种新的局部行波对流结构．并进一步讨论了Rayleigh-Benard对流时空结构的动力学特性．     

黏弹性液滴热毛细迁移的对流不稳定

液滴在温度分布不均的固壁面上产生的热毛细迁移广泛存在于微流控、喷墨印刷等应用中, 对其流动进行稳定性分析对液滴迁移的精准控制具有重要意义. 本文采用线性稳定性理论研究了附壁黏弹性液滴在热毛细迁移中的对流不稳定性, 得到了不同Prandtl数($Pr$)下的临界Marangoni数($Ma_{\rm c})$与弹性数的函数关系, 并分析了临界模态的流场和能量机制. 研究发现: 流体弹性激发了更多不稳定模态, 小$Pr$的临界模态为斜波和流向波, 而中高$Pr$的临界模态为斜波和展向稳态模态. 强弹性使得$Ma_{\rm c}$显著下降, 而弱弹性略微增强了流动稳定性. 在中$Pr$下, $Ma_{\rm c}$随$Pr$的增大而增大. 对于斜波模态, 扰动温度的振幅可存在于流场中间区域, 而其他两种模态的温度振幅只存在于自由表面上, 并且在高$Pr$下的流线分布几乎是对称的. 能量分析表明: 随着弹性数增大, 基本流做功由正变负; 在小$Pr$中, 扰动应力做功既可能耗散能量又可能提供能量; 在高$Pr$中, 基本流做功可忽略不计. 对于同向流向波, 扰动速度和扰动应力做功在垂直方向上均存在多次振荡. 将液滴迁移与热毛细液层进行对比发现, 由于基本流和边界条件的不同, 两者在临界模态和扰动流场中均存在较大差异.