Rayleigh-Bénard湍流对流实验研究进展

近十年来,人们的注意力集中到关于Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｂｅｎａｒｄ硬湍流对流的研究,得到了硬湍流状态下温度场和速度场的主要特征,证实了大惊工充在热对流中起主导作用等,但对大尺度环流与周围流及热郑注的相互作用机理还不很清楚,硬湍流是否为Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｂｅｎａｒｄ对流的极限状态仍有不同看法,本文将对有关这方面的研究进展作一简要的回顾,并就今后的研究表一些看法。     

Rayleigh-Bénard湍流对流实验研究进展

近十年来,人们的注意力集中到关于Ｒｎｙｌｅｉｇｈ－Ｂｅｎａｒｄ硬湍流对流的研究,得到了硬湍流状态下温度场和速度场的主要特征,证实了大尺度环流在热对流中起主导作用等,但对大尺度环流与周围流体及热卷流的相互作用机理还不很清楚,硬湍流是否为Ｒｎｙｌｅｉｇｈ－Ｂｅｎａｒｄ对流的极限状态仍有不同看法,本文将对有关这方面的研究进展作一简要的回顾,并就今后的研究工作发表一些看法．     

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。     

Bénard-Marangoni 对流温度振荡转捩过程实验研究

本文主要是通过实验观测 Bénard-Marangoni 对流中存在的温度振荡现象,研究了温度振荡的起振临界 Ma数,以及初步探讨了温度振荡随 Ma 数增加的转捩过程。实验结果表明不同物性参数的硅油温度振荡临界 Ma 数满足同一临界条件。不同的物性参数的介质表现出不同的温度振荡转捩过程,但同一物性参数不同厚度的介质表现相同的振荡规律。此外,还用粒子迹线法观察了流场结构及转捩过程     

具有间歇性缺陷的混合流体行进波对流斑图

本文通过流体力学基本方程组的数值模拟,探讨了具有中等Soret效应的混合流体行进波斑图的动力学特性.当分离比Ψ=-0.3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,并且在r=1.50-1.60的范围内,行进波对流斑图中存在着间歇性缺陷结构.这种缺陷出现的周期随瑞利数r增大而增加.在缺陷出现的周期内,对流振幅也以行进波的周期在周期的变化,对流振幅的振动次数或行进波的周围数也随相对瑞利数r增大而增加.当r增加到1.65时,行进波对流斑图中的缺陷结构消失.由于缺陷引起的对流振幅的周期性变化也随之消失,而以行进波的周期在整个时间段上周期的振动.     

Rayleigh-Benard对流中小扰动的发展及对流斑图

通过二维流体力学的扰动方程组的数值模拟,探讨了分离比ψ=-0.2时,长高比Γ=30的矩形腔体中混合流体Rayleigh-Benard对流发生点附近扰动的成长和斑图的形成。结果表明:温度场线性成长阶段扰动的成长率γ_m是相对瑞利数r的函数,成长率γ_m随着相对瑞利数r的变化关系式为γ_m=0.9351r~(5.2039);在对流发生点附近的瞬态斑图取决于相对瑞利数r。给出了不同的相对瑞利数r(r分别为1.5、1.7、1.8)的情况下从小振幅到大振幅稳定状态的过渡过程中的两种不同的对流斑图,并讨论了其动力学特性。研究发现,当r较大时,存在行波与定常波共存的现象。     

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。     

凝固界面前沿自然对流的实验研究

本文在水平Bridgman定向凝固装置中,对超薄试样中固液界面前沿的自然对流进行了实验研究。发现在厚度仅为200μm—700μm的试样中,由于水平温度梯度的存在,凝固界面附近仍然存在着不可忽视的自然对流,并系统研究了各种不同因素对界面前沿热对流的影响规律,为界而过程的微观分析和凝固理论的研究提供了丰富的信息,为采用该装置进行透明有机物模拟研究提供了设计依据。     

两相湍流热对流中传热增强的实验研究

Rayleigh-Bénard (RB)湍流热对流是一个经典的流体力学模型,传统的RB热对流系统采用单一流体作为工作介质．然而在实际工业生产和大自然中,对流的工作介质往往是多成分多相(譬如气相与液相共存)．本文进行了气液两相热对流系统的实验,研究了相变引起的全局体积变化以及热对流系统的传热规律．实验采用径高比Γ≡D/H=0.5的圆柱形对流槽,工作介质为去离子水与氟化液(HFE7000),其中氟化液在装置中的体积分数占比为Φ=0.86%．实验中,上下板的温差保持为30℃,控制参数范围是2.54×10⁹9,底板温度35℃b<48℃．我们发现,氟化液HFE7000在大气压下的沸点为Tcr<40℃,然而氟化液的体积在底板温度T_b<42.5℃之后就不再发生变化．全局传热分为3个区间,在区间Ⅰ内,即T_b<42.5℃,系统的传热效率Nu变化较小．在区间Ⅱ内,42.5℃b<45℃,当氟化...     

多孔介质中二维对流传热的分叉

本文利用分叉理论研究了流体饱和的二维多孔介质从底部加热所引起的自然对流,用有限差分方法确定对流的分叉进程;揭示其模式转换机理及分叉对非正常流动图象形成的影响;同时确定了矩形截面宽高比与临界端利数的关系。还提出了一个判别分支稳定笥的简明方法。     

对流传热边界层温度分布的激光干涉测量

本文介绍利用双镜干涉仪测量对流传热边界层中二维温度分布的方法。当冷空气流经热板模型时,附面层内的干涉条纹发生弯曲。根据条纹弯曲偏移量,由折射率与温度的关系,画出空气温度的二维分布图。整个过程由光学方法及微计算机全盘处理,是一种无接触测量方法。     

FST方法分析二维Rayleigh-Bénard湍流热对流系统的能量输运

本文应用空间滤波方法：FST(Filter-space technique)方法,研究二维Rayleigh-Bénard(RB)湍流热对流系统中湍动能、热能和拟涡能的能量输运．研究中Rayleigh数(Ra)选取为1x10^8、1x10^9和1x10^10,Prandtl数(Pr)固定为4.38．我们展示了的结果表明,在二维RB系统中,三个Ra数下全场的平均湍动能和平均拟涡能在不同滤波尺度下的能量输运与Kraichnan在1967年预测的二维湍流中的级串理论有所偏差,而中心区域的能量都是向小尺度输运的．结果还揭示了瞬时能量输运的一些局部特性,包括它们在小尺度上不对称的分布．     

二维Rayleigh-Bénard对流问题稳定性的数值追踪

用分解算子法和延续算法对二维Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｂｅｎａｒｄ对流问题的稳定性进行了数值追踪研究．画出了 Ｐｒ＝ １０时不同 Ｒａ所对应的流线，等涡线和等温线图；并求出了对于不同Ｐｒ数所对应的临界Ｒａ数，其值大约为２７４０，计算结果与物理分析相一致，与三维实验结果比较也合理．     

具有水平流动的Rayleigh-Bénard对流进口段特性分析

采用SIMPLE算法对二维流体力学基本方程组进行了数值模拟,对普朗特数Pr=0.0272的具有水平流动的Rayleigh-Bénard对流进口段特性进行了研究。结果表明,在某些流体参数下具有水平流动的Rayleigh-Bénard对流由进口段和行波对流段组成,进口段长度取决于雷诺数和相对瑞利数。对于雷诺数Re=150的情况,当相对瑞利数r≤4时腔体内是水平流动;当r≥12时腔体内是行波对流;在40随着雷诺数变化的表达式。进口段长度随相对瑞利数的增大而减小,随着雷诺数的增大而增大。行波对流区的对流波数随着雷诺数的增大而减小。     

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。     

最大偏心圆环空间自然对流传热的数值分析

采用正切圆坐标变换 ,对不同直径比以及上、下、侧面三种偏心位置 ,偏心率达到最大值± 1的变壁温水平圆柱环形封闭空间内空气的自然对流传热进行了数学模拟 ,求出的二维空间温度分布与实验拍摄相应的温度干涉条纹图片吻合良好。计算结果同时给出流线分布及内、外壁面的局部传热系数、热流量。并与现有的偏心率小于 1的有关资料作对比分析。数值计算的范围是 :2 .0× 1 0 2 ≤ Ra≤ 3 .0× 1 0 5,1 .3≤ Do/Di≤ 3 .8,Pr=0 .70 6,|ε|=1 .     

Benard—Marangoni对流温度振荡转捩实验研究

主要通过实验观测Bénard-Marangoni对流中存在的温度振荡现象, 研究了温度 振荡的起振临界Ma数, 以及初步探讨了温度振荡随Ma数增加的转捩过程. 实验结果表明不同物性参数的硅油温度振荡临界Ma数满足同一临界条件. 不同的物 性参数的介质表现出不同的温度振荡转捩过程, 但同一物性参数不同厚度的介质表 现相同的振荡规律. 此外, 还用粒子迹线法观察了流场结构及转捩过程.     

Rayleigh-Bénard湍流热对流研究的进展、现状及展望

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.     

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。      

基于多通道滤波技术的散斑条纹图正则化方法

在光测力学中,条纹图正则化是进一步提取条纹位相信息的重要基础。对于散斑条纹图来说,正则化的过程还需能够有效地抑制散斑噪声。本文提出一种基于多通道滤波技术的散斑条纹图正则化方法。通过使用多个Gabor滤波通道对散斑条纹图进行滤波,并且引入与条纹对比度有关的权重因子把各个滤波通道的滤波结果叠加起来,最终得到滤除了散斑噪声的正则化条纹图。数值模拟和实验结果表明,该方法在将散斑条纹图正则化的同时能够有效地滤除条纹图中的散斑噪声,为进一步提取条纹位相奠定了良好的基础。