ADVANCES AND OUTLOOK IN TURBULENT RAYLEIGH-BENARD CONVECTION

对流现象广泛存在于恒星和行星里.在地球上,对流现象在诸如大气、海洋、地核和地幔等众多动力学系统中起着重要作用.Rayleigh-Bénard（RB）湍流热对流系统是从这些复杂的自然现象中抽象出来的研究对流问题的经典流体力学模型.本文主要从湍流传热、羽流、大尺度流动结构、速度和温度脉动的小尺度统计和非传统RB对流等几个方面着重评述近年来RB对流的若干研究新进展,并对今后的研究做出展望.     

半浮区热毛细对流的不稳定性与转捩

近二十年来,微重力流体开展了半浮区液桥热毛细对流的不稳定性与转捩的研究．文中给出了热毛细振荡对流发生的临界参数,分析了液桥几何位形（尺度比,体积比）、物理参数及传热参数对临界Ｍａｘａｎｇｏｎｉ的影响．报导了有关的地面模拟实验,微重力实验以及本问题的线性稳定性分析、能量分析和数值模拟结果,并介绍了定常轴对称热毛细对流通过非定常振荡热毛细对流到湍流的转捩过程和三种热毛细振荡对流的产生机理．      

半浮区热毛细对流的不稳定性与转捩

近二十年来,微重力流体开展了半浮区液桥热毛细对流的不稳定性与转捩的研究．文中给出了热毛细振荡对流发生的临界参数,分析了液桥几何位形（尺度比,体积比）、物理参数及传热参数对临界Ｍａｘａｎｇｏｎｉ的影响．报导了有关的地面模拟实验,微重力实验以及本问题的线性稳定性分析、能量分析和数值模拟结果,并介绍了定常轴对称热毛细对流通过非定常振荡热毛细对流到湍流的转捩过程和三种热毛细振荡对流的产生机理．     

底部周期加热的局部对流斑图

运用Simple算法对二维流体力学基本方程组进行了数值模拟,探讨了普朗特数(Pr)为0.0272时矩形腔体底部周期加热对对流时空斑图的影响。当水平流动雷诺数(Re)为0时,发现了由正弦波周期加热引起的稳定的局部定常对流。当Re≠0时,由于正弦波周期加热与水平流动相互作用,获得了由正弦波周期加热和水平流动引起的局部行波对流。进一步比较和讨论了底部正弦波周期加热局部对流和混合流体Rayleigh-Benard局部对流的时空斑图,发现它们存在不同的机理。     

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．     

有关多层流体对流的研究

简述多层不相混流体系统的研究发展，尤其是在空间材料生长过程中的应用；介绍多层流体系统内流体对流及传热现象，以及利用理论分析、实验研究和数值模拟方法研究二层及三层流体内的自然对流及热毛细对流的成果，并分析探讨覆盖液体层对被覆盖液体的动力控制特性及其系统的稳定性     

矩形倾斜腔体中的两种对流斑图和分区

为了研究矩形倾斜腔体中普朗特数Pr=0.72的流体对流斑图和分区,本文基于流体力学方程组进行了数值模拟。在相对瑞利数r=6.0的情况下,观察了倾角θ=10°和θ=60°时对流斑图随着时间的发展,发现系统存在单圈型对流和多圈型对流两种斑图。流线随着倾角的变化说明:随着倾角增加,对流圈数逐渐减少,对流波长逐渐增加,对流波数减小;然后,随着对流圈数显著地减少,系统由多圈型对流过渡到单圈型对流。根据模拟计算结果,给出了多圈型对流过渡到单圈型对流的临界倾角θc随着相对瑞利数r变化的关系曲线。对流在θ-r平面上分为两个区域:θ<θc时系统是单圈型对流,θ>θc时系统是多圈型对流。对流最大振幅A和努塞尔数Nu随着倾角θ的变化曲线被临界倾角θc分成两段,它们有不同的变化规律。因此,临界倾角也可以由对流最大振幅A或努塞尔数Nu的变化曲线来确定。     

小长高比腔体内的摆动行波

通过流体力学基本方程组的数值模拟,探讨了具有Soret效应(分离比ψ=?0.47)和小长高比(Γ=8)腔体中混合流体摆动行波对流的动力学特性。研究表明:在相对瑞利数r3.467时系统出现了行波状态;在r=3.647～6.227的范围内,发现了摆动行波对流;且对流振幅随着时间的变化存在两种不同特性,其摆动周期随瑞利数r增大而减小,对流振幅和努塞尔数随瑞利数r增大而增加;当r增大到r=6.228时,摆动行波过渡到定常对流状态。因此,在行波对流向定常对流过渡的过程中存在摆动行波对流.     

添加剂湍流减阻流动与换热研究综述

添加剂湍流减阻是指在液体的管道湍流中添加少量的高分子聚合物或某种表面活性剂从而使湍流阻力大大降低的现象.从其被发现至今,经过近半个世纪的研究(实验研究、理论分析、数值模拟和实际系统的应用研究),尽管对这一现象及其实际应用价值已有了较为深入的认识,但仍有许多方面尚有欠缺,例如对湍流减阻的机理仍然在探索中.本文归纳评述了高分子聚合物或表面活性剂添加剂湍流减阻流动与换热现象的研究现状,从湍流减阻剂的特性、减阻剂的湍流减阻机理、湍流减阻发生时的换热机理、减阻流动速度场分布和换热控制等几个方面综述了添加剂湍流减阻流动与换热特性,并综述了湍流减阻剂在实际工业系统中的应用情况,在对添加剂湍流减阻机理、有湍流减阻发生时的对流换热机理等的理解方面进行了新的总结.      

液层厚度对浮力-热毛细对流面型的影响

将Michelson光学干涉测量系统与图像处理技术相结合，发展形成一种实时诊断热毛细对流和浮力对流流体表面形貌的实验测量系统. 采用光学干涉测量方法研究了两端带有温差的矩形池内薄层流体的对流、表面变形、以及表面波的基本问题. 应用Fourier变换方法对实验结果进行计算和分析，得到了流体表面变形和表面波的定量的实验结果. 实验结果表明了在浮力-热毛细对流的发展过程中，首先出现流体的表面变形，之后在该变形的基础上，叠加了一个表面波的信息，该表面变形和表面波与流体的温度梯度、表面张力、以及浮力有直接的关系；表面波隐藏在表面变形内.     

地幔对流模拟实验

模拟实验是当前地幔对流研究中的一个重要手段,一个重要组成部分。本文着重介绍近年来关于地幔热对流模拟实验研究发展概况。从相似参数出发,讨论了实验装置,测试手段,并对实验结果和今后发展趋势作了评述。      

导电流体热对流中磁场的致稳作用

本文导出了在磁场作用下导电流体热对流流动的方程组及其定解条件,用数值方法模拟了由磁场控制的单晶生长热对流问题,计算结果说明磁场可以有效地抑制流动在壁面处的分离、单胞对流变为多胞对流以及速度和温度的振荡等热不稳定现象,说明了磁场对不稳定热对流有明显的致稳作用。     

表面张力驱动对流的实验研究

液桥的表面张力驱动对流问题,是目前国际上最受重视的空间科学研究课题之一。本文回顾了该问题的起因及实验研究的进展状况,综述了现有的实验结果,指出了一些存在的问题。      

Onset of Benard-Marangoni convection in a rotating liquid layer with nonuniform volumetric energy sources

The criteria for the onset of natural convection in a rotating liquid layer with nonuniform volumetric energy sources from absorbed thermal radiation are determined via linear stability analysis. The linearized perturbation equations are solved by using a numerical technique to obtain the eigenvalues that governs the onset of convection in a microgravity environment. The stability criteria are obtained in terms of the Marangoni number as function of the optical thickness. The influences of the Rayleigh number, Taylor number, Bond number, Crispation number, and Biot number on convection are examined in detail. These parameters provide a relationship between the critical Marangoni number and the Coriolis force, the buoyancy force, the interfacial tension, and the heat transport mechanisms.     

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.      

A PSEUDOSPECTRAL CODE FOR CONVECTION WITH AN ANALYTICAL/NUMERICAL IMPLEMENTATION OF HORIZONTAL BOUNDARY CONDITIONS

A new code for simulating convection in a horizontal layer of fluid is described. The code can be used to study the usual Rayleigh –Bénard convection problem but can also incorporate internal heating, rotation and the vortex force responsible for Langmuir circulation. Boundary conditions in the horizontal directions are periodic, but a wide range of conditions may be imposed on the upper and lower boundaries. A novel feature of the method is the way in which these boundary conditions are implemented through the following analytical/numerical technique. The governing partial differential equations are reduced to a number of inhomogeneous second-order ODEs for the horizontal Fourier modes. The solutions to these are then written as the sum of a particular integral and a complementary function. The former is easily computed (numerically) without regard to the boundary conditions and the latter is then selected (analytically/numerically) to ensure that the boundary conditions are met. We apply our code to the problem of highly supercritical thermal convection in a shear flow. We compare our results with simulations in the literature and, by integrating over a longer time interval, find flow features not observed in the previous simulations, including stable time-dependent states, multiple stable equilibria and chaos. © 1997 John Wiley & Sons, Ltd.     

Convective self-oscillations near an air-bubble surface in a horizontal rectangular channel

The concentration convection in an isothermal fluid near an air bubble clamped between the vertical walls of a horizontal channel with a rectangular cross-section is studied experimentally and numerically. The channel is filled with an aqueous solution of a surfactant with a nonuniform concentration. As a result of the competition between the gravitational convection in the cavity volume and the Marangoni convection near the bubble surface, an oscillation flow regime is established. This regime is observed experimentally over several hours. In the numerical experiment, the oscillations are obtained in the presence of an initial horizontal surfactant concentration gradient. Against the background of gravitational convection, short bursts of Marangoni convection with ten times greater intensity are observed. The convective flow patterns and the oscillation periods obtained experimentally and numerically are in fairly good agreement.     

INSTABILITY OF COUPLED THERMO-SOLUTE CAPILLARY CONVECTION IN LIQUID BRIDGE AND CONTROL BY ROTATING MAGNETIC FIELD

浮区法因具有无坩埚接触污染的生长优点而成为生长高完整性和高均匀性单晶材料的重要技术.但熔体中存在的毛细对流会给浮区法晶体生长带来极大挑战,这是由于对流的不稳定会导致晶体微观瑕疵的产生和宏观条纹等缺陷的形成.为了提高浮区法生长单晶材料的品质,研究浮区法晶体生长中毛细对流特性及如何控制其不稳定性显得尤为重要.本文采用数值模拟的方法对半浮区液桥内Si_xGe_1-x体系中存在的热质毛细对流展开研究并施加旋转磁场对其进行控制.结果表明：纯溶质毛细对流表现为二维轴对称模式,温度场主要由热扩散作用决定,而浓度场则由对流和溶质扩散共同支配;纯热毛细对流呈现三维稳态非轴对称流动,浓度分布与熔体内热毛细对流的流向密切相关,等温线在对流较大的区域发生弯曲;耦合溶质与热毛细对流则为三维周期性旋转振荡流.施加旋转磁场后,熔体周向速度沿径向向外增大,熔体内浓度场和流场均呈现二维轴对称分布.