旋转环形浅液池内双组分溶液耦合热-溶质毛细对流渐近解

为了了解水平温度梯度作用下旋转环形浅液池内耦合热-溶质毛细对流基本特征, 采用匹配渐近展开法对旋转环形浅液池内耦合热-溶质毛细对流过程进行了求解, 获得了中心区域的速度、温度和浓度分布,分析了旋转、Soret效应、浮力、溶质扩散 系数和液池的几何尺寸对流动结构的影响.将所得到的渐近解和文献中的已有结果进行对比,证明了所求结果的正确性;在浅液池内,耦合热-溶质毛细力对流体流动起主导作用, 旋转和浮力对流动的影响较小,溶质扩散系数和几何尺寸有较明显影响;当各种耦合的 驱动力作用方向相同时,流动增强;否则, 流动减弱. 关键词： 旋转 环形浅液池 耦合热-溶质毛细对流 渐近解     

环形浅液池内热毛细对流的渐近解

为了了解微重力下水平温度梯度作用时环形浅液池内的热毛细对流特征,采用渐近线方法求得了环形浅液池内热毛细对流的近似解析解,得到了主流区速度场和温度场的表达式,并与数值模拟结果进行了比较,两者基本吻合.     

深径比对双层热毛细-浮力对流的影响

三维数值研究了环形液池内双层流体热毛细-浮力对流的流动特性,考察了液池深径比对流动的影响,其中外壁面维持高温,内壁面维持低温。结果显示,上、下层流体热毛细-浮力对流的流动结构依赖于液池深径比的大小,其内在机制是由浮力和热毛细对流相对强度所决定;随着深径比的减小,热毛细-浮力对流不稳定性的周向温度波数先增大后减小,存在发生流动不稳定性的最佳深径比;热毛细对流的振荡周期随着深径比的减小逐渐减小,而周向速度平均扰动幅度逐渐增大.     

浮力对环形液池内热毛细对流的影响

为了了解浮力的影响,对水平温度梯度作用时环形液池内的热毛细对流进行了非稳态三维数值模拟,环形液池外壁被加热,半径为40 mm,内壁被冷却,半径为20 mm,液池深度为(1-17)mm,流体为0．65cSt的硅油,其Pτ数为6．7．模拟结果表明,当水平温度梯度较小时,流动为轴对称稳态流动,随着温度梯度的增加,流动将会失去其稳定性,在浅液池内,转化为热流体波,浮力对失稳后的流型无影响,但会使热流体波的振幅下降;在深液池内,在常重力条件下,转化成三维稳定流动,在微重力和小重力条件下,转化为三维振荡流动．     

Pr数对环形浅液池热毛细对流的影响

为了解流体普朗特数(Pr)对热毛细对流的影响,通过线性稳定性分析,确定了环形浅液池内硅熔体(Pr＝0.011)和几种硅油(Pr数从6.7至57.9)热毛细对流失稳的临界条件,获得了它们在临界条件下的热流体波,特别是高Pr数硅油的热流体波.结果发现:当Pr≤15.9时,临界Ma数随Pr数的增加迅速上升,此时环形池内只有一...     

毛细力比对环形液池内耦合热-溶质对流的影响

为了了解毛细力比R_σ对耦合热溶质毛细对流的影响,对深宽比为0.15的环形浅液池内双组分溶液耦合热-溶质毛细对流进行了三维数值模拟。液池内、外壁分别维持恒定温度和浓度,工质为甲苯/正己烷混合溶液,Prandtl数为5.54,Lewis数为25.8。结果表明,当热毛细Reynolds(ReT)数较小时,耦合热-溶质毛细对流为三维稳态流动,当ReT数超过临界值后,流动将转变为三维周期性振荡流动;在计算范围内(-1≤R_σ≤0),随着毛细力比的增加,流动失稳的临界Re_T数会逐渐减小。     

表面散热对双组分溶液热-溶质毛细对流的影响

为了了解表面散热对耦合热-溶质毛细对流的影响,对环形浅液池内考虑Soret效应的双组分溶液耦合热-溶质毛细对流进行了三维数值模拟。环形液池深宽比和半径比分别为0.1和0.5,工质为质量分数等于26.27%的甲苯/正己烷混合溶液。结果表明,当流动为二维稳态时,在Soret效应作用下,溶质会向内侧壁转移,浓度梯度和温度梯度方向相反。随着Biot数增加,流动失稳的临界热毛细雷诺数和临界振荡频率均减小,但波数增加。流动失稳后,在自由表面会出现与温度波动类似的浓度波动;随着热毛细雷诺数增加,不论自由表面是否绝热,流动均会过渡到混沌状态。     

数值分析环形池硅熔体旋转-热毛细对流及其稳定性

数值模拟了内半径20 mm、外半径40 mm、深5 mm环形池内硅熔体在旋转和热毛细力共同驱动下的热对流,通过线性稳定性分析确定了旋转-热毛细对流失稳的临界Marangoni数等临界条件。研究结果表明,液池低速旋转会降低轴对称热毛细对流的稳定性,而较高速度的旋转能增强热毛细对流的稳定性。临界条件下旋转-热毛细对流耗散结构波纹的传播方向与液池的旋转方向相同,临界周向波数随旋转速度的增加而增加。在较大的旋转速度下,液池底部出现涡胞,底部涡胞对热毛细对流的稳定性具有削弱作用。     

环形浅液池内中等Pr数流体的热毛细对流

为了了解微重力下水平温度梯度作用时环形浅液池内的热毛细对流特性,利用有限差分法进行了非稳态二维数值模拟,环形液池外壁被加热,内壁被冷却,流体为 0.65 cSt的硅油,其Pr 数为 6.7。结果表明,当温度梯度较小时,流动为稳态流动,随着温度梯度的增加,流动将会失去其稳定性,转化成各种振荡流动,模拟结果与实验结果基本吻合。     

旋转环形液池内双组分溶液热毛细对流研究

通过毛细对流可视化实验系统和三维数值模拟研究了旋转环形液池内受Soret效应影响的双组分溶液热毛细对流,探究了泰勒数和液池深宽比对双组分溶液热毛细对流的稳定性及失稳后产生的振荡流型的影响。结果表明,旋转液池内受Soret效应影响的热毛细对流的基础流为逆时针流胞形成的轴对称稳态流动,液池旋转对基础流径向流动的影响较小,但会明显增大流体的相对周向流动。临界热毛细雷诺数随泰勒数的增大而增大,随深宽比的增大而减小。泰勒数和深宽比的变化会明显改变双组分溶液热毛细对流失稳后产生的振荡流型。随着泰勒数的增大,液池中会出现HTWs和内部波动共存的振荡流型,内部振荡由包含在基态流动中的旋转流胞产生。     

重力水平对热毛细-浮力对流耗散结构的影响

为了了解重力水平对环形液池内热毛细-浮力对流耗散结构的影响,利用有限容积法进行了非稳态三维数值模拟,环形液池外壁被加热,内壁被冷却,流体为0．65cSt硅油,其Pr数为6．7。结果表明,在微重力条件下,流动为三维振荡流动;当重力水平增加到0．1go时,流动结构转化为沿周向运动的一组滚胞,其轴线与温度梯度方向一致;当重力...     

Soret效应对环形浅池内溶液热毛细对流的影响

采用三维数值模拟方法研究了Soret效应对深宽比为0.1的环形浅液池内双组分溶液热毛细对流的影响。结果表明,当热毛细Reynolds数较小时,溶液流动为二维轴对称稳态流动,相同热毛细Reynolds数下双组分溶液热毛细对流强于纯工质。由于双组分溶液中Soret效应的作用,冷壁面附近溶质浓度大于热壁面附近溶质浓度,且溶质毛细力方向与热毛细力方向一致,因此,溶液流动加强,相比纯工质更易失稳。流动失稳后,双组分溶液中呈现出热流体波与三维振荡流动并存的流动结构,且Soret效应对热流体波波数和主频有明显影响。     

大尺度环形液池内双层热毛细对流不稳定性

假设双层流体的交界面不发生变形,热毛细力作用于此交界面,三维数值研究了大尺度环形液池中双层流体系统在内外壁面温差加热下的热毛细对流不稳定性,其中外壁面维持高温,内壁面维持低温。计算结果显示,上下层流体的流动特性受Marangoni效应和浮力效应的影响;热毛细对流的振荡产生于内壁面附近,并沿着温度梯度的方向传播;随着温差的增大,热毛细对流的振荡逐渐增强,温度振荡波数增大。     

环形池内反常热毛细对流及稳定性线性稳定性分析

线性稳定性分析研究了环形池内反常热毛细对流及其稳定性,分析了液层深度对它们的影响。结果表明;当Ma较小时,反常热毛细对流为稳定的轴对称流动;当Ma超过临界值后,反常热毛细对流失稳,形成三维稳态波纹,波纹的形态与液层厚度有关。当液层深度H(H=d/ΔR,d为环形池深度,△R为内外径宽)小于0.0833时,失稳波纹为波数较多、位于环形池外环边沿、短小细密的"边沿波";当H大于0.0833时,为波数较少、波纹较宽、几乎占据整个液层、呈轮辐状的"轮形波";H等于0.0833时,同时存在这两种波纹的可能性。随着液层深度的增加,对流失稳的临界Ma数逐渐减小。能量收支分析讨论了它们的失稳机理。     

环形液层内热毛细对流的线性稳定性分析

为了了解液层深度对热毛细对流不稳定性的影响,利用线性稳定性理论分析了内径为20 mm、外径为40 mm、深度为1～20 mm的环形液层内硅油(Pr=6.7)的热毛细对流,重点考察了发生热流体波的临界温差及热流体波的临界周向波数,结果表明,临界温差随液层深度的增加而降低.讨论了浮力对热流体波及其临界条件的影响,并证实了常重力条件下当液层厚度大于5 mm时,热流体波呈静止状态这一现象.     

环形池内双层流体热毛细对流不稳定现象实验研究

为了了解水平温度梯度作用下双层流体内热毛细对流的特征,实验观察了环形池内由1cSt硅油和氟化液FC-40组成的双层流体内热毛细对流失稳后的不稳定现象。实验表明,随着上层或下层流体厚度的增加,流动稳定性减弱。当上层厚度为1.5 mm时,内外环间温差超过临界温差后在外环区域产生三维稳态的直条纹、并在内环区域产生热流体波,波纹产生于上层流体。当上层流体厚度为2mm时,液层内三维稳态直条纹占主导。环形池旋转使稳态条纹变为弯曲波纹,并且液层内只有一组传播方向与环形池的旋转方向相反的热流体波。     

水平温差对环形浅液池内Marangoni-热毛细对流的影响

双向温差驱动下的Marangoni-热毛细对流在许多工程技术领域具有重要作用, 但是, 已有的大部分研究集中于单向温差作用下的流动. 因此, 采用数值模拟的方法研究了水平温差对双向温差驱动下的环形浅液池内Marangoni-热毛细对流的影响. 在一个给定的顶部换热条件下, 确定了不同水平温差作用下流动由轴对称稳态流动向三维非稳态流动转变的临界底部热流密度. 结果表明, 水平温差使得Marangoni-热毛细对流不稳定; 随着水平温差的持续增强, 稳态流动转变为一种规律的振荡流动, 最终变得混乱; 发现两种新的状态演化过程; 确定了水平温差和垂直温差在共同驱动流体运动时各自发挥的作用; 随着水平温差的增强, 最初出现在中间区域的最高表面温度不断向热壁移动, 在此过程中, 内壁附近的流动增强, 而外壁附近的流动减弱.     

Soret效应对具有自由表面的圆柱形浅池内双组分溶液热对流影响的实验研究

为了探究Soret效应对具有自由表面的圆柱形浅液池内双组分溶液热对流过程的影响, 通过实验观察了质量分数为50%的正癸烷/正己烷混合溶液在不同深宽比的液池内流动失稳后的自由表面耗散结构及液池内的温度波动. 结果表明, 双组分溶液流动失稳的临界热毛细Reynolds数小于纯工质的值, 且其随液层深宽比的变化规律与纯工质相同. 当深宽比小于0.0848时, 流动失稳后在自由表面观察到热流体波, 监测点处温度波动主频随热毛细Reynolds数增大而增加; 当深宽比大于0.0848时, 随热毛细Reynolds数的增大, 流动失稳后自由表面依次呈现轮辐状、花苞状、分离-合并-分离交替变化的条纹状结构.     

环形浅液层内热流体波的可视化实验研究

对外壁加热、内壁冷却、厚度为1.0 mm的环形硅油浅液层内的热毛细对流及其稳定性进行了可视化实验研究,观察到了旋转的螺纹状的热流体波,确定了发生热流体波的临界温差值△Tc=4.8 K,证实了热流体波从两组逐渐演变为一组的发展过程,验证了已有的数值模拟结果.     

环形浅液池内热毛细对流的热力学特性

为了了解径向温度梯度作用下环形浅液池内硅熔体热毛细对流的热力学特性,利用有限差分法进行了非稳态三维数值模拟。液池外半径r0=50 mm,内半径ri=15 mm,深度为d=3 mm。结果表明,当温度梯度较小时,流动为稳定轴对称流动,系统总熵产较小;随着温度梯度的增加,流动将失去其稳定性,首先转化为径向脉动波,此时系统总熵产呈周期性变化;温度梯度再增加时,流动转化为热流体波,系统总熵产较大,但不再随时间变化。