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。     

混合流体局部行波对流斑图选择的初值依赖性

利用Simple算法对流体力学基本方程组进行了数值模拟,初步研究了局部行波对流斑图选择的初值依赖性问题。分离比ψ-(28)6.0、相对瑞利数r(28)2.1时依赖于初值的有间歇性缺陷的行波,位于腔体右端的局部行波和位于腔体左端的局部行波的多重稳定性;分离比ψ(28)-0.6、相对瑞利数r在1.855~2.118范围内依赖于初值的位于腔体右端的局部行波和位于腔体左端的局部行波的多重稳定性等。虽然在不同初值下,局部行波存在的区间有所不同,局部行波的空间位置有所不同,但局部行波的特性参数变化规律基本一致。结果说明混合流体局部行波对流斑图选择的初值依赖性是存在的。     

混合流体分离比对摆动行波的影响

利用Simple算法对流体力学基本方程组进行了数值模拟,研究了摆动行波的特性。结果表明:在摆动行波存在的范围内,当相对瑞利数r较小时,腔体内沿着空间的平均波数是随着时间周期变化的;当r较大时,腔体内沿着空间的平均波数随着时间增大保持为常数。摆动行波的摆动周期随r的增大而减小;分离比负值越大,变化越平缓,摆动行波出现的范围越大。随着长高比增加,较小分离比时,摆动周期的上、下限明显提高;分离比较大时,摆动行波存在区间对应的r上、下限明显增加。     

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.     

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.     

具有大负分离比的混合流体局部行进波对流

从流体层底部加热引起的对流运动是研究非平衡对流的时空结构或斑图(Pattern)及非线性动力学特性的典型模型之一.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效应的混合流体局部行进波的形成过程,发现当分离比ψ=-0.6时,在局部行进波的存在范围内,向局部行进波过渡的不同过程依赖于相对瑞利数r.进一步,讨论了具有强Soret效应的混合流体局部行进波流速场,温度场, 浓度场的结构和特性,分析了局部行进波的存在区间对分离比ψ的依赖性.发现随着Soret效应的增强或负分离比ψ的绝对值的增加,局部行进波稳定存在的区间Δr也在增加.     

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。     

长矩形截面腔体内具有缺陷的对传行波斑图

在长高比Γ=40、分离比Ψ=-0.6情况下,通过流体力学基本方程组的数值模拟,得到了一种新的有趣斑图,即单侧缺陷摆动对传行波.通过分析单侧缺陷摆动对传行波各物理场随时间变化的等值线图、波形图,讨论了其形成过程及时空动力学特性.进一步对比不同相对瑞利数下的单侧缺陷摆动对传行波,探讨了缺陷数、缺陷周期以及缺陷方向等缺陷特征对相对瑞利数的依赖性.     

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。     

浮力对混合对流流动及换热特性的影响

用热线和冷线相结合的技术测量垂直圆管内逆混合对流流体的平均速度、 温度以及它们的脉动. 较详细地研究了浮力对逆混合对流的流动特性和传热特性的影响. 评 估了实验中采用的冷线测量温度补偿速度探头温度敏感的影响. 逆混合对流的传热结果用无 量纲参数Ω (Ω= Grd / Red2 )来表示，其中，基于管道直 径的雷诺数Red变化范围为900~18000, 浮力参数Ω变化范围为 0.004899~0.5047. 研究结果表明，浮力对逆混合对流的换热有强化作用. 随着葛拉晓夫数Grd的增加，温度脉动，流向雷诺正应力和流向温度通量增 大，并且在靠近壁面的流体区域尤其明显. 热线与冷线相结合的技术适合于研究非绝热的流 动测量，可以用于研究浮力对流动和换热特性的影响.     

多层流体的Marangoni对流

介绍微重力环境下矩形液池中多层不相混液体的Marangoni对流及其不稳定性.Marangoni对流流动的形成是由于在该系统施加一个与液体交界面相垂直的外加温度梯度.Marangoni对流的线性不稳定性分析是基于无限延长矩形液池内的两层流体系统.应用数值模拟研究了Marangoni对流的流体动力学和热传输特性,将多层流体的Marangoni对流同两层流体中外加温度梯度与流体交界面平行时引起的热毛细对流的主要特征进行了比较.     

混合流体对流中具有间歇性缺陷的缺陷源摆动的对传波

通过数值模拟,研究了长高比Γ_x=40和分离比ψ-=2.0时有间歇性缺陷的缺陷源摆动的对传波。研究表明:对于给定的相对瑞利数r,在缺陷源摆动的对传波中,缺陷源做"S"型曲线摆动,缺陷源两侧行波分支上存在间歇性缺陷,行波分支上的缺陷数量不固定;随相对瑞利数r增加,缺陷源沿腔体水平方向的摆动振幅不断减小,缺陷源两侧行波分支上的缺陷数量呈减少局势,缺陷源初始摆动方向由向左变为向右;垂直流速最大值δw_(max)和下壁面努塞尔数Nu-1是相对瑞利数r的函数,并给出了它们随着相对瑞利数r的变化关系式。     

低Pr数流体非稳态自然对流流动的标度分析

施加了恒定热通量的竖直平板置于静止的均匀或线性分层流体中会在板壁上形成自然对流流 动. 它在达到稳态前将先历经起始和过渡两个阶段. 而表征其瞬时流动特征的主要参数是壁温、热边界层厚度、内层和外层速度边界层厚度、边界层内竖直方向的最大速度、以及层流边界层发展达到稳态所需的时间. 利用标度分析得到了均匀和线性分层低普郎特数(Pr<1)流体沿恒定热通量竖直平板的非稳态自然对流流动在各个发展阶段的标度关系.     

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.     

侧加热腔内的自然对流

开展侧加热腔内自然对流的研究具有重大的环境及工业应用背景. 总结侧加热腔内水平温差驱动的自然对流的最新研究进展, 并概述相应的流动性质、动力机制和传热特性以及对不同无量纲控制参数的依赖也有重要的科学价值. 已取得的研究结果显示突然侧加热的腔内自然对流的发展可包括初始阶段、过渡阶段和定常或准定常阶段. 不同发展阶段的流动依赖于瑞利数、普朗特数及腔体的高宽比, 且定常或准定常阶段的流态可以是定常层流流动、非定常周期性流动或者湍流流动. 此外, 回顾了对流流动失稳机制的研究成果以及湍流自然对流方面的新进展. 最后, 展望了侧加热腔内的自然对流研究的前景.      

低Pr数流体自然对流边界层流动的直接数值模拟

在太阳能采暖通风系统中,空气在太阳辐射作用下于吸热壁上所形成的非稳态自然对流边界 层流动是决定系统热性能的关键所在. 对于线性分层的低普郎特数($Pr<1$)流体而言,标度分 析表明在起始阶段边界层的发展是与高度无关而只依赖于时间的,而处于稳态时,各项标度 关系与处于起始阶段终结时刻的大不相同,且都与高度和时间无关,而只与$Pr$数和线性分 层度相关. 直接数值模拟计算结果表明由标度分析所得的各项标度关系揭示了流动的特性参 数与控制参数之间的决定性内在联系. 但同时也表明标度关系并没有充分体现出 对$Pr$数的所有依赖关系,这一不足可利用直接数值模拟计算结果得到弥补.     

三维方腔介电液体电对流的数值模拟研究

本文对封闭方腔内介电液体电对流进行了三维数值模拟研究.方腔的6个边界为固壁;4个侧边界为电绝缘边界;上下界面为两个电极.直流电场作用在从底部电极注入的自由电荷上,从而对液体施加库伦体积力并驱动流体流动形成电对流.为了求解这一物理问题,发展了一种二阶精度的有限体积法来求解完整的控制方程,包括Navier-Stokes方程和一组简化的Maxwell方程.考虑到电荷密度方程的强对流占优特性,采用了全逆差递减格式来求解该方程,获得了准确有界的解.通过研究发现,该流动在有限振幅区内的分叉类型为亚临界,即系统存在一个线性和非线性临界值,分别对应流动的开始和终止.由于非线性临界值比线性值小,因此两个临界值之间有一个迟滞回线.与无限大域中的自由对流相比,侧壁施加的额外约束改变了流场结构,使这两个临界值均有所增大.此外,还讨论了电荷密度和速度场的空间分布特征,发现电荷密度分布中存在电荷空白区.最后对更小空间尺寸情况计算结果表明,流动的线性分叉类型为超临界.本文的结果拓展了已有的二维有限空间内电对流的研究,并为三维电对流的线性和弱非线性理论分析提供参考.      

广义对流扩散方程的隐式特征线混合元方法

提出了一个广义对流扩散方程的混合有限元方法,方程的基本变量及其空间梯度和流量在单 元内均作为独立变量分别插值. 基于胡海昌-Washizu三变量广义变分原理结合特征线法给 出了控制方程的单元弱形式. 混合元方法采用基于一点积分方案并结合可以滤掉虚假的 数值震荡的隐式特征线法. 数值结果证明了所提出的方法可以提供和四点积分同样的数 值计算结果,并能够提高计算效率.