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.     

矩形液池热毛细对流转捩途径研究

主要研究矩形液池热毛细对流的分岔转捩. 通过测量流体内部温度振荡情况, 详细研究了热毛细对流的转捩过程和转捩途径. 实验发现, 矩形液池热毛细对流的转捩过程依次经历了定常、规则振荡、不规则振荡的阶段. 对于不同普朗特数的硅油在不同长高比情况下, 通向混沌的途径不同. 在转捩过程中, 随着温差的增加, 普朗特数在16 (1cSt) 以下和普朗特数为25 (1.5cSt)、长高比为26 的硅油热毛细对流主要以准周期分岔的转捩方式为主;而普朗特数为25 以上的则以倍周期分岔的转捩方式为主;两种分岔有时还会伴随有切分岔形式的出现.实验中还观察到了表面波动和对流涡胞振荡等现象.      

半浮区热毛细对流的不稳定性与转捩

近二十年来,微重力流体开展了半浮区液桥热毛细对流的不稳定性与转捩的研究．文中给出了热毛细振荡对流发生的临界参数,分析了液桥几何位形（尺度比,体积比）、物理参数及传热参数对临界Ｍａｘａｎｇｏｎｉ的影响．报导了有关的地面模拟实验,微重力实验以及本问题的线性稳定性分析、能量分析和数值模拟结果,并介绍了定常轴对称热毛细对流通过非定常振荡热毛细对流到湍流的转捩过程和三种热毛细振荡对流的产生机理．      

半浮区热毛细对流的不稳定性与转捩

近二十年来,微重力流体开展了半浮区液桥热毛细对流的不稳定性与转捩的研究．文中给出了热毛细振荡对流发生的临界参数,分析了液桥几何位形（尺度比,体积比）、物理参数及传热参数对临界Ｍａｘａｎｇｏｎｉ的影响．报导了有关的地面模拟实验,微重力实验以及本问题的线性稳定性分析、能量分析和数值模拟结果,并介绍了定常轴对称热毛细对流通过非定常振荡热毛细对流到湍流的转捩过程和三种热毛细振荡对流的产生机理．     

大尺寸液桥热毛细对流失稳性地面实验研究

开展大尺寸液桥浮力-热毛细对流地面实验, 探究流场转捩的临界条件及临界状态附近的流动情况. 通过粒子图像测速方法(PIV) 获得流体速度场, 研究液桥内部定常和转捩后的流场结构以及流体运动规律;并用红外热像仪测量液桥自由面温度分布, 研究流体流动的时空演化和温度振荡. 实验发现大尺寸半浮区液桥浮力-热毛细对流临界值与几何参数有关, 在大普朗特(Prandtl) 数情况下, 流场存在由稳定态向不稳定态再到混沌的转捩过程, 在临界马兰哥尼(Marangoni) 数附近, 流场内会出现行波现象, 流动模式也会随高径比的变化而发生变化;当继续增大马兰哥尼数, 流动会进入混沌状态.      

浮区热毛细对流

概述了浮区中平行于自由面的表面张力梯度驱动热毛细对流领域的研究. 研究兴趣集中于振荡热毛细对流的起振, 或者说从定常流动到振荡流动的转捩. 起振依赖于一系列的临界参数, 临界关系可以表示为这些临界参数的复杂函数. 实验结果表明, 振荡流中速度的变化和平均流动的速度有相同的量级, 而其它量的变化, 比如温度和自由面半径的波动, 相比于它们的平均量而言则要小得多. 因此, 起振应是流体中动力学过程的结果, 该问题是强非线性的. 在过去几十年中, 一些理论模型被引入来研究这个问题, 使用的方法包括理论分析方法、 线性不稳定性分析方法、 能量稳定性分析方法以及非定常的三维直接数值模拟. 其中直接数值模拟被认为是对强非线性过程进行深入分析的最适合方法, 通常能得到和实验较符合的结果. 从振荡热毛细对流向湍流的转捩提供了一个研究混沌行为的新系统, 开创了一个非线性科学的新前沿, 是一个集中了大量近期工作的研究热点. 该文对浮区热毛细对流作了一个回顾, 包括理论模型和分析, 以及实验研究.     

实践十号卫星项目——热毛细对流振荡特征的地面研究

上部开口环形液池在水平径向温度梯度作用下会出现内部温度和自由面的振荡,本文研究了二者发生的临界条件.环形液池内柱加热外壁制冷,以0.5℃/min的速率线性升温得到水平径向温差,T型热电偶测量液层内部单点温度,高精度激光位移传感器测量液层自由面某点形变.随两端温差增加,当超过某一临界温度△T_(cr)时,开始出现振荡.实验结果表明,对同一种硅油,两种振荡的临界条件随液层厚度具有相同的变化趋势.对不同普朗特(Prandtl)数(Pr)的硅油,振荡临界条件临界马兰哥尼数(Ma_(cr))随着邦德数(Bo)的增加而变大.本文工作是中国科学院科学先导专项SJ-10返回式科学实验卫星项目-热毛细对流表面波空间实验研究的地面研究结果,该工作为空间实验提供前期的基础科学研究数据和实验保障.     

环形浅液池内热流体波的本质特征

为了了解环形浅液池内热毛细对流的特征,利用有限容积法对外壁受热、内壁冷却、厚度为1 mm的环形浅液池内硅油的热毛细对流进行了三维数值模拟.结果表明,当Marangoni(Ma)数小于临界值时,随着Ma数的增加,内、外壁附近的温度梯庹上升,稳定的二维轴对称流动的径向速率增加;超过临界Ma数后,漉动转化为三维振荡对流,形成热流体波.沿径向运动的同时,伴随着热流体波的传播流体质点成对地绕顺时针和逆时针方向旋转.热流体波的周向传播速度较快,而流体质点的周向速度很小.分析发现,热流体波为对数螺线形波纹,其传播角为常数;随着Ma数的增大,传播角增大.     

液桥中不同Prandtl数流体的热毛细对流

本文研究从上面加热的液桥中不同 pr 数流体的热表面张力驱动对流。在 Ma 数相同的条件下,不同 pr 数流体液桥中的温度分布和流场结构定性相似,但定量结果不同。小pr数(pr<<1)流体液桥中的粘性边界层远小于热边界层,最大流函数所在位置向冷端偏移,有较大的流动速度。结果表明,Ma 数是描述这种流动的敏感参数。     

底部热加载下两层多孔介质热流耦合现象研究

底部热加载条件下非线性流动传热问题的求解一直是多孔介质研究领域的难题。采用实验测试及数值模拟的方法,对底部热加载方式下两层多孔介质内热流耦合对流传热解的特性进行了研究。研究结果表明:在小瑞利数工况下,两层多孔介质内骨架内材料比例对温度场分布和非线性特性有重要影响;确定了非线性分叉、震荡解的特征值,并计算出了不同材料比例下的分叉及震荡所对应的临界瑞利数;通过实验验证了底部热加载时两层多孔介质内温度随时间呈非稳态震荡变化。结论可为实现热流分层、局部削弱或强化传热提供参考。     

半浮区液桥振荡对流的微重力实验

利用日本微重力中心８００ｍ落井装置，完成了半浮区液桥振荡对流的微重力实验，对振荡对流的典型物理量诸如内部温度、流场、自由面边缘变化及表面波进行了综合测量。实验结果给出了振荡对流由地球重力环境向微重力环境的过渡，以及不同几何参数半浮区液桥的振荡特征，并首次获得了微重力环境下热毛细对流的表面波位形及边缘振荡特征．     

半浮区液桥热毛细振荡流

采用非定常、三维直接数值模拟方法研究大Pr数半浮区液桥热毛细对流从定常流向振荡流的过渡过程．文中详细描述了热毛细振荡流的起振和振荡特征,给出了液桥横截面上振荡流的流场和温度分布．在地面引力场条件下计算的结果与地面实验的结果进行比较,得出液桥水平截面上的流场和温度分布图样以一定的速度旋转,自由表面固定点处流体的环向流速正、负交替变化的一致结论．     

一种新型转捩技术在跨音速风洞中的应用

针对传统金刚砂粗糙带在跨音速增压风洞实验中易脱落、随机误差大等问题,设计一种新型斑点型粗糙带,解决了大动压条件下,在模型表面实现固定转捩的问题。应用萘升华流动显示技术,分析了固定转捩和自由转捩条件下边界层变化情况;由测力实验得到GBM-01(AGARD-B)标准模型不同Ma数下的气动特性, 并与国外大风洞实验数据进行了比较。实验结果表明：新型斑点型粗糙带能够将层流边界层转变为湍流边界层,可以获得具有高雷诺数特点的数据,且强度高,是一种具有广阔应用前景的新型转捩技术。     

封闭方腔内空气和水自然对流每一次分岔数值预报

采用二阶全展开ETG分裂步有限元方法,通过对流动拓扑的详细分析,在排除网格密度影响的基础上,结合二分法给出封闭方腔内空气和水两种典型流体自然对流发生第一次分岔时的临界Rayleigh数。计算结果表明,该方法可用于进行不同Prandtl数条件下方腔内自然对流流动第一次分岔的数值预报,可作为后续各阶分岔及转捩数值预报研究的基础。在相应的条件下,封闭方腔内空气比水更容易发生分岔,且空气的流动结构相对于水表现出一定的倾斜性。     

正弦波温度边界下多孔介质方腔内非热平衡对流传热数值模拟

采用局部非热平衡模型,在方腔左侧壁面温度正弦波变化、右侧壁面温度均一的边界条件下,通过SIM-PLER算法数值研究了固体骨架发热多孔介质方腔内的稳态非达西自然对流,主要探讨了不同正弦波波动参数N及方腔的高宽比M/L对方腔内自然对流与传热的影响规律。计算结果表明:正弦波温度边界使得方腔内的流场出现了复杂的变化,流体及固体区域左侧壁面附近出现了周期性的正负变化的温度场分布,左侧壁面局部Nusselt数出现了周期性的震荡现象;存在一个最佳温度波动参数N=1,此时多孔介质方腔内的整体散热量达到最大值;增加方腔高宽比会显著地削弱方腔内的自然对流传热过程,小高宽比也会在一定的程度上削弱多孔介质方腔内的对流传热。     

大普朗特数大液桥浮力-热毛细对流地面实验

通过地面实验研究大尺寸液桥的浮力-热毛细对流. 实验采用2cst硅油(Pr=28.571),研究了不同高径比(A=l/d)和体积比的液桥起振,分析了温度振荡频率及相位变化,探讨了热流体波的问题. 实验液桥的桥柱直径为20mm,由于受重力的限制,建立了3～4.25mm范围内的矮桥. 通过伸入液桥内部不同位置的热电偶的温度信号,发现流场是同时起振的,不同的桥高和体积比有不同的振荡模式,并且随着温差的增加,频率近似以线性增加,各点的振荡相位是一个连续性变化的过程. 不同高径比的液桥转捩到混沌的途径是不一样的.      

多孔介质中的非达西自然对流的分岔研究

利用分岔理论研究了多孔介质底部加热所引起的非达西自然对流。用有限差分方法计算了对流的分岔；确定了Beta数与临界瑞利数的关系。结果表明：随着Be从0增大到1，出现分岔的单胞对流的临界瑞利数Rac从39．35单调地增大到41．15。双胞对流亦有类似的趋势。这说明惯性－湍流效应有使对流稳定性增强的趋势。     

多孔介质内黏弹性流体的热对流稳定性研究

基于修正的Darcy模型, 介绍了多孔介质内黏弹性流体热对流稳定性研究的现状和主要进展. 通过线性稳定性理论, 分析计算多孔介质几何形状(水平多孔介质层、多孔圆柱以及多孔方腔)、热边界条件(底部等温加热、底部等热流加热、底部对流换热以及顶部自由开口边界)、黏弹性流体的流动模型(Darcy-Jeffrey, Darcy-Brinkman-Oldroyd以及Darcy-Brinkman -Maxwell模型)、局部热非平衡效应以及旋转效应对黏弹性流体热对流失稳的临界Rayleigh数的影响. 利用弱非线性分析方法, 揭示失稳临界点附近热对流流动的分叉情况, 以及失稳临界点附近黏弹性流体换热Nusselt数的解析表达式. 采用数值模拟方法, 研究高Rayleigh数下黏弹性流体换热Nusselt数和流场的演化规律,分析各参数对黏弹性流体热对流失稳和对流换热速率的影响.主要结果:(1)流体的黏弹性能够促进振荡对流的发生;(2)旋转效应、流体与多孔介质间的传热能够抑制黏弹性流体的热对流失稳;(3)在临界Rayleigh数附近,静态对流分叉解是超临界稳定的, 而振荡对流分叉可能是超临界或者亚临界的,主要取决于流体的黏弹性参数、Prandtl数以及Darcy数;(4)随着Rayleigh数的增加,热对流的流场从单个涡胞逐渐演化为多个不规则单元涡胞, 最后发展为混沌状态.      

多孔介质内黏弹性流体的热对流稳定性研究

基于修正的Darcy模型,介绍了多孔介质内黏弹性流体热对流稳定性研究的现状和主要进展.通过线性稳定性理论,分析计算多孔介质几何形状(水平多孔介质层、多孔圆柱以及多孔方腔)、热边界条件(底部等温加热、底部等热流加热、底部对流换热以及顶部自由开口边界)、黏弹性流体的流动模型(Darcy-Jeffrey, DarcyBrinkman-Oldroyd以及Darcy-Brinkman-Maxwell模型)、局部热非平衡效应以及旋转效应对黏弹性流体热对流失稳的临界Rayleigh数的影响.利用弱非线性分析方法,揭示失稳临界点附近热对流流动的分叉情况,以及失稳临界点附近黏弹性流体换热Nusselt数的解析表达式.采用数值模拟方法,研究高Rayleigh数下黏弹性流体换热Nusselt数和流场的演化规律,分析各参数对黏弹性流体热对流失稳和对流换热速率的影响.主要结果:(1)流体的黏弹性能够促进振荡对流的发生;(2)旋转效应、流体与多孔介质间的传热能够抑制黏弹性流体的热对流失稳;(3)在临界Rayleigh数附近,静态对流分叉解是超临界稳定的,而振荡对流分叉可能是超临界或者亚临界的,主要取决于流体的黏弹性参数、Prandtl数以及Darcy数;(4)随着Rayleigh数的增加,热对流的流场从单个涡胞逐渐演化为多个不规则单元涡胞,最后发展为混沌状态.     

基于HLNS方法对高超声速边界层中非模态扰动演化的研究

高超声速边界层转捩是航天飞行器设计中的基础难题,发生在线性失稳区上游的亚临界转捩是常规风洞实验中常见的现象.亚临界转捩一般是由非模态扰动的演化及二次失稳触发的,为了揭示局部突变对高超声速边界层亚临界转捩的影响机理,发展了基于谐波型线性化Navier-Stokes (HLNS)方程及其伴随系统的描述非模态扰动演化的求解框架.该框架的优点是不改变原始系统的椭圆型特性,因而可以处理非模态扰动(条带)在局部突变附近的快速畸变.针对马赫数为5.96、攻角为-4?的高超声速钝平板边界层,研究了不同深度凹槽对条带幅值的影响.数值结果表明凹槽对条带有促进作用,这与实验中发现的规律定性相符,且存在使促进作用最大的最优凹槽深度.