湍流热对流中的动力学和传热研究

文章介绍了湍流热对流中流动结构和动力学的实验研究. 本文作者通过流动示标和粒子成像测速系统（PIV）的测量,清晰地揭示了对流系统的三维流动结构,发现大尺度环流的角向运动在不同的时间尺度上有不同的表现. 通过统计分析,本文作者进一步发现大尺度环流方位角的变化具有布朗棘齿的特性,并且从实验上证明在湍流热对流系统中不同的流动模式的确可以得到不同的传热效率.     

湍流热对流中的若干问题

对流是自然界中的一种常见现象,与人们的日常生产、生活息息相关。作为湍流和非线性系统的一个简单模型,在20世纪90年代以后,人们对热对流进行了系统而深入的研究。然而,直到现在,人们对湍流热对流的规律和本质仍然所知有限。文章主要从湍流传热、相干结构、大尺度环流和湍流中脉动量的小尺度统计等四个方面,简要地介绍了近年来湍流热对流的一些新进展。     

湍流热对流中的若干问题

对流是自然界中的一种常见现象,与人们的日常生产、生活息息相关。作为湍流和非线性系统的一个简单模型,在20世纪90年代以后,人们对热对流进行了系统而深入的研究。然而,直到现在,人们对湍流热对流的规律和本质仍然所知有限。文章主要从湍流传热、相干结构、大尺度环流和湍流中脉动量的小尺度统计等四个方面,简要地介绍了近年来湍流热对流的一些新进展。     

自然对流对横纹管内湍流对流传热的影响

以熔盐为传热工质,对考虑熔盐自然对流情况下横纹管内的流动传热进行了数值模拟。结果表明:同一Re数,横纹管内下侧Nu数大于上侧Nu数,随着Re数的增加,管内下侧Nu数与上侧Nu数的差值逐渐减小。考虑自然对流影响的横纹管内平均Nu数与不考虑自然对流影响的横纹管内平均Nu数基本相等。强制对流的Re数越低,自然对流对横纹管单侧传热影响越明显。横纹管槽宽越小,槽深越深,自然对流对单侧传热影响相对越小。通过非线性拟合,分别得出横纹管内下侧传热Nudown/Nuave-b、上侧传热Nuup/Nuave-b与浮升力参数Bo的关联式。     

超声速湍流边界层湍流统计与湍流结构分析

可压缩边界层转捩问题与湍流问题一直是制约高超声速飞行器发展的关键基础问题,也是近年来流体力学领域研究的热点问题.采用直接数值模拟方法,获得了空间发展的Ma=2.25超声速湍流边界层流场,通过对湍流边界层的发展状态进行评估,得出有效的Reynolds数Reθ 范围约为2600～4600.对壁面摩阻系数开展了分解,获得了各...     

曳力和湍流对超临界水流化床传热特性的影响

本文采用基于颗粒动力学的欧拉双流体模型,对比研究了曳力和湍流对超临界水流化床传热特性的影响,选取了Gidaspow、Syamlal-O'Brien和Wen-Yu三种曳力模型以及标准κ-ε、RNGκ-ε、Realizableκ-ε湍流模型三种高Re数湍流模型及低Re数κ-ε湍流模型。研究结果表明,在三种曳力模型中,Gidaspow曳力模型在超临界水流化床中更为适用;对于所采用的四种κ-ε湍流模型,利用三种高雷诺数湍流模型模拟所得床层与壁面间传热系数基本一致且大于采用低雷诺数模型模拟所得传热系数,而综合考虑,RNGκ-ε湍流模型更适于超临水流化床传热特性的研究。     

对流湍流池光学湍流的空间和时间结构分析

分析了用于自适应光学波前补偿实验的对流湍流池折射离和光强起伏的空间、时间结构,建立了平均速度很小或等于零时的相关函数,讨论了速度起估对相关的扩散作用。数值计算和实测的结果表明：速度起估不仅使时间相关减小,而且使频谱的内尺度减小。     

湍流热对流温度剖面双参数拟合及其变化特性

采用高效并行的直接数值模拟方法计算了三个Pr数的系列Ra数的二维热对流.对所有计算结果的平均场温度边界层特性进行研究,采用考虑脉动作用的双参数温度边界层理论对温度边界层剖面进行拟合,得到了拟合参数a和参数c的分布.参数a决定了温度剖面的基本特性,而参数c起到了对温度剖面外区的修正作用,使得在5个边界层厚度温度边界层剖面的计算值与理论解符合良好.参数c的变化特性与参数a的相反, a值增大则c值减小.不同的Pr数拟合参数a随Ra数变化具有不同的分布特性,但都存在突然减小的间断.参数a的间断变化是由湍流热对流流动状态由椭圆形大尺度环流突变到圆形大尺度环流造成的,且随着Pr数变大间断点的特征Ra数增高.相同Ra数时Pr数越大温度剖面的拟合参数a值越小,表明温度边界层中脉动的影响越小.传热特性N u/Ra0.3、表征羽流运动特性的大尺度环流路径周长,及温度边界层拟合参数a三者随Ra数的变化都存在转折或间断,且对应相同的特征Ra数,显示三者具有很好的相关性并与流动形态变化直接关联.     

湍流热对流Prandtl数效应的数值研究

本文采用直接数值模拟的并行直接求解方法,计算了Ra=10~(10),0.05≤Pr≤20的系列Prandtl(Pr)数二维湍流热对流.通过流动显示技术,讨论了Pr数对羽流形态和大尺度环流结构的影响.在Ra=10~(10)时,随着Pr数减小,羽流的运动和分布表现出更强的湍流性质,较高Pr数的羽流则表现出较强的规律性,当Pr4.3时,流场中存在明显的大尺度环流和角涡结构.不同Pr数的温度边界层厚度差异不大,并随Pr数存在标度率变化关系.当Pr数较低时,系统的传热Nusselt(Nu)数随着Pr数增加而增加,当Pr数较高时,Nu数随Pr数的变化不敏感.靠近底板处速度脉动随Pr数有显著的变化,Pr数越低速度波动越剧烈.通过底板中心位置水平脉动速度和平均场水平速度最大值给出的雷诺数Re_((u))和Re_(U_(max)),两种Re数随Pr数的变化满足同一标度律,为Re～Pr~(-0.81).     

Studying anomalous scaling and heat transport of turbulent thermal convection using a dynamical model

Turbulent thermal convection is a well-studied problem with various issues of interest. In this paper, we review our work which shows the nature and origin of anomalous scaling and heat transport in the limit of very strong thermal forcing, can be gained by studying a dynamical model, known as shell model, of homogeneous turbulent thermal convection in which buoyancy acts directly at most scales. Specifically, we have obtained two results. The first result is that when buoyancy acts directly at most scales such that the dynamics are governed by a cascade of entropy, the scaling behavior is described by Bolgiano and Obukhov scaling plus corrections that are due to the variations of the local entropy transfer rate. This result indicates the validity of the extension of refined similarity hypothesis to turbulent thermal convection. The second result is that when buoyancy is acting directly at most scales, a damping term acting on the largest scale, which has to be added for the system to achieve stationarity, plays a crucial role in heat transport, and that the heat transport depends on the strength of thermal forcing in the same manner as that predicted for the ultimate state of very strong thermal forcing. With our interpretation of the damping term representing the effect of the boundaries, this result indicates that in the ultimate state of turbulent thermal convection, when buoyancy is acting at most scales, boundaries would play a significant role in heat transport.     

Boundary layer and scaling properties in turbulent thermal convection

Summary We describe an experiment which has been designed to measure both spatial and temporal features of turbulent thermal convection in a fluid layer heated from below. Specifically we have studied the dependence of the heat flowvs. the Rayleigh number, the thermal boundary layer profile, the temperature probability distribution function, the frequency and wave number power spectra. All the results have been compared with recent theories. The relevant scales of the problem, the Bolgiano and dissipative lengths, are also computed as a function of control parameters.     

Scaling in large Prandtl number turbulent thermal convection

We study the scaling properties of heat transfer Nu in turbulent thermal convection at large Prandtl number Pr using a quasi-linear theory. We show that two regimes arise, depending on the Reynolds number Re. At low Reynolds number, NuPr ^-1/2 and Re are a function of RaPr ^-3/2. At large Reynolds number NuPr ^1/3 and RePr are function only of RaPr ^2/3 (within logarithmic corrections). In practice, since Nu is always close to Ra ^1/3, this corresponds to a much weaker dependence of the heat transfer in the Prandtl number at low Reynolds number than at large Reynolds number. This difference may solve an existing controversy between measurements in SF₆ (large Re) and in alcohol/water (lower Re). We link these regimes with a possible global bifurcation in the turbulent mean flow. We further show how a scaling theory could be used to describe these two regimes through a single universal function. This function presents a bimodal character for intermediate range of Reynolds number. We explain this bimodality in term of two dissipation regimes, one in which fluctuation dominate, and one in which mean flow dominates. Altogether, our results provide a six parameters fit of the curve Nu(Ra, Pr) which may be used to describe all measurements at Pr≥0.7. Received 27 February 2002 / Received in final form 29 May 2002 Published online 31 July 2002     

前沿领域综述–多孔介质强制对流换热研究进展

多孔介质的强制对流换热主要涉及渗流、对流换热、热弥散和热辐射等方面的内容, 文中对这个几个方面的国内外研究进展和发展趋势进行了逐一综述. 同时对主要理论模型、实验研究和经验关联式进行了分类整理, 总结了它们的特点、适用范围和局限性, 并对主要研究成果进行了对比分析, 指出了将来进一步研究的方向和难点所在. 而且通过简化计算得到高温多孔介质冷却过程何时需要考虑辐射换热. 所有这些对多孔介质的理论研究和工程应用都具有指导性的意义. 关键词： 多孔介质 对流换热 渗流 热弥散     

纳米流体对流换热机理分析

考虑在纳米流体中纳米颗粒做布朗运动引起的对流换热, 基于纳米颗粒在纳米流体中遵循分形分布, 本文得到纳米流体对流换热的机理模型. 本解析模型没有增加新的经验常数, 从该模型发现纳米流体池沸腾热流密度是温度、纳米颗粒的平均直径、 纳米颗粒的浓度、纳米颗粒的分形维数、沸腾表面活化穴的分形维数、基本液体的物理特性的函数. 对不同的纳米颗粒浓度和不同的纳米颗粒平均直径与不同的实验数据进行了比较, 模型预测的结果与实验结果相吻合. 所得的解析模型可以更深刻地揭示纳米流体对流换热的物理机理.     

A renormalization group analysis of turbulent transport

The field-theoretic renormalization group is used to derive scaling relations for the transport of passive scalars by an incompressible velocity field with a specified energy spectrum. Results are obtained with the analog of the expansion of critical phenomena and compared to exact results which are available for shear flows in two dimensions.A 1/N expansion is proposed for the regions in which the expansion fails.