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．     

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。     

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.     

有水平流时双流体混合物对流的时空演变

在水平流动作用下混合流体(比如水和酒精)的Rayleigh-Benard对流,由于外部强制力和内在行波传播的耦合,构成了研究开流系统中斑图选择和非线性耗散波的理想模型系统,本文介绍对该系统初步的研究成果.首先简述了线性稳定性分析以及水平流对行波非线性分岔特性的影响,然后主要给出我们对这一系统在有限空间非周期边界条件下一维行波对流的研究成果,包括存在的时空形态及其特性对Rayleigh数和槽道长度的依赖关系,最后给出了进一步工作的展望.      

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.     

二维矩形腔体中混合流体行进波对流

Rayleigh-Benard模型是研究对流稳定性,时空结构和非线性特性的典型模型之一。本文的兴趣集中在二维矩形腔体中混合流体对流场的结构方面。利用SIMPLE算法数值求解流体力学方程组,模拟了充分发展的二维矩形腔体中混合流体对流。结果说明偏离传导失去稳定的系统经过亚临界分叉产生了振动对流。进一步,我们给出了分叉曲线及其沿分叉曲线的上部分支三个Rayleigh数对应的对流图案的垂直速度场,流线,温度场,浓度场和Shadowgraph强度的等值线图。所有场的结构分析表明浓度场及Shadowgraph强度的等值线图可以很好的特征行进波的运动特性。     

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效应的充分发展的混合流体行进波对流

混合流体Rayleigh-Benard对流是研究对流稳定性,时空结构和非线性特性的典型模型之一。本文利用流体力学扰动方程组的数值模拟,讨论了偏离传导状态具有强SORET效应的混合流体行进波对流的温度场和浓度场的成长过程,分析了充分发展对流情况下的对流振幅,Nusselt数及混合参数与相对瑞利数的关系。并给出了行进波相速度对相对瑞利数的依赖关系。结果说明混合参数的曲线与行进波相速度的分布曲线是类似的。文末,给出了垂直速度,温度和浓度场的分布并讨论了相对瑞利数对场的分布及不同场之间的相位差的影响。     

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。     

Rayleigh-Benard系统不稳定性的DSMC方法研究

本文应用DSMC方法初步研究了稀薄气体状态下Rayleigh-Benard系统的不稳定性特征，着重考察了气体密度梯度对Rayleihg-Benard系统不稳定性特征的影响。研究表明DSMC方法能够成功地模拟Rayleigh-Benard系统内涡的运动，得到了与外力方向相反的密度梯度会增加Rayleigh-Benard系统流动不稳定性的结果。     

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．     

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。     

Experimental study of combined free and forced laminar convection in an asymmetrically heated two-dimensional aiding flow

An experimental study of mixed convection in an asymmetrically heated two-dimensional flow of water has been made. Experiments in fully developed turbulent flow (Re maximum=9000) were made initially to establish the satisfactory operation of the equipment. In the mixed convection laminar flow tests to determine local Nusselt numbers, the Reynolds number range was from about 100 to 1000 with the Rayleigh number based on heat flux varying from about 10 to 300. The data, which are presented graphically, have been compared with the results of the theoretical analyses of other workers. The effect of buoyancy in the immediate entry of the flow [(x/de)/Re Pr <.05] was found to be negligible, but at greater distances there were significant increases in the heat transfer coefficient with the larger values of Rayleigh number.     

Transient natural convection in horizontal cylinders with constant cooling rate

Transient natural convection in horizontal cylinders with wall temperature decreasing at a constant rate is approached by a numerical method. Numerical solutions are obtained for Pr=0.7, 10, 100 and a range of modified Grashof numbers Gr_a=10³ 10⁹. The time-dependent flow and temperature fields, local and overall heat transfer rates are presented. For quasi-steady state, a generalized correlation equation for Nusselt number valid for Pr 0.7 and GrPr <>⁷ is developed.     

Heat convection from a cylinder performing steady rotation or rotary oscillation – Part II: Rotary oscillation

This paper deals with the problem of combined (forced and natural) convection from a horizontal cylinder performing oscillating rotary motion in a quiescent fluid of infinite extent. While forced convection is caused by cylinder oscillation, the natural convection is caused by the buoyancy driven flow. The heat transfer process is governed by Rayleigh number, Ra, Reynolds number, Re, and the dimensionless frequency of oscillation, S. The study covers Ra up to 10³, Re up to 400 and S up to 0.8. The results showed that, for the same Ra, the time-averaged rate of heat transfer lies in between two limiting values. The first, is the steady state heat rate due to natural convection from a fixed cylinder and the second is the steady state heat rate from a cylinder rotating steadily at a speed equal to the maximum speed of rotational oscillation. The smaller the value of Re the nearer the time-averaged Nusselt number to that of fixed cylinder at the same Ra and the higher Re the lower the average Nusselt number. The effect of frequency is only limited to changing the amplitude of the fluctuating Nusselt number. Received on 15 December 1997     

Lattice Boltzmann simulation of a fluid flow around a triangular unit of three isothermal cylinders

The lattice Boltzmann method is employed to simulate heat transfer in the flow past three arrangements of elliptical and circular cylinders under an isothermal boundary condition. The lattice Boltzmann equations and the Bhatnagar–Gross–Krook model are used to simulate two-dimensional forced convection at 30 ≤ Re ≤ 100 and Pr = 0.71. Pressure distributions, isotherms, and streamlines are obtained. Vortex shedding maps are observed in detail for several cases. The present results are in good agreement with available experimental and numerical data.     

Bingham流体双自由面热毛细液层的稳定性分析

热毛细对流是流体界面温度分布不均导致的表面张力梯度驱动的流动.它主要存在于空间等微重力环境或小尺度流动等表面张力占主导的情况中.在很多工业领域,如晶体生长、聚合物加工、喷墨打印、微流控,产品质量都与热毛细对流密切相关.空间3D打印是太空制造的重要技术,可以支持空间站的在轨长期有人照料的运行和维护,实现按需制造.本文以聚合物流体的空间3D打印为应用背景,采用线性稳定性理论研究了Bingham流体双自由面热毛细液层的稳定性,得到了在不同Bingham数(B)下的临界Marangoni数(Mac)与Prandtl数(Pr)的函数关系,分析了临界模态的流场和能量机制.研究发现:该流动的临界模态包括流向波和斜波模态,与B, Bi和两界面垂直方向上的温差(Q)相关. B和Bi的增加会增强热毛细对流的稳定性.当Q=0时,扰动温度分布分成对称和反对称两种情况.当Q> 0时, Pr的增加会减弱流动稳定性.在小Pr情况下,扰动温度分布在整个流场,在大Pr情况下,扰动温度在栓塞区为零.能量分析表明:扰动动能的主要能量来源是表面张力做功,但小Pr数下基本流也有一定贡献.