双向温差作用下矩形浅液池内Marangoni-热毛细对流研究

发布时间：2017-09-26 12:24

  本文关键词：双向温差作用下矩形浅液池内Marangoni-热毛细对流研究

  更多相关文章： Marangoni-热毛细对流 垂直热流 水平温度梯度 热流体波 矩形浅液池

【摘要】：自然对流广泛存在于自然界和社会生活当中。流体内部温度梯度引起密度差异形成的浮力对流,以及表面张力梯度所驱动的热毛细对流或者Marangoni对流都属于自然对流。本课题研究的是表面张力梯度所驱动的热对流,其主要形式有两种,当温度梯度方向平行于自由表面时,称之为热毛细对流;当温度梯度方向垂直于自由表面时,称之为Marangoni对流。近年来,学者们分别针对这两种热对流展开了丰富的研究,而在自然界和实际工业中,双向温差耦合作用下的Mrangoni-热毛细对流广泛存在,相比于单向温差作用时,流动更为复杂。因此,本课题以有限容积法为基础,建立了双向温差耦合作用下矩形浅液池的物理模型和数学模型,采用数值模拟对液池内的Marangoni-热毛细对流展开研究,分别讨论了稳态和非稳态情况下流体内部的流动状态,获得了不同工况下流体内的温度场和速度场,分析了各种流型结构的演变规律,讨论了水平温差(Ma数)、底部垂直热流(Q)以及自由表面换热条件(Bi数)对矩形浅液池内流动的影响等,主要结论如下:第一,Ma数和Q均会影响流动的形态,当Ma数较小时且Q=0,流动处于二维稳态流动,随着垂直热流Q增大,液池内流动由单胞流演变为双胞流;当流动处于流向相反的双胞流态时,随着Ma数增大,热壁侧逆时针流胞强度减弱、收缩,而冷壁侧流胞强度增强、延伸,最终变成单胞流动。Ma数和Q的增大均会导致流动的失稳,且波动频率随Ma数和Q均增大,变化曲线有一定的差别,而Bi数的增大,却会抑制流动的失稳。第二,当Ma数很小,QQcr且Q较小时,形成以冷壁中心为源点向热壁传播的两组对称分布的双列热流体波。随着垂直热流Q增大,冷壁上的波源先向后壁侧移动,再向前壁侧移动,当Q足够大时,热壁侧形成两组对称分布的双列热流体波,与冷壁侧热流体波共存。第三,当Ma数较大,QQcr且Q较小时,形成以冷壁中心为源点向热壁传播的两组对称分布的双列热流体波。随着垂直热流Q增大,冷壁上的波源始终保持在冷壁中心处,液池内波动紊乱而热壁侧未形成波动。第四,当MaMacr且Q=0时,热壁附近呈双列斜波,随着垂直热流Q的增大,热壁侧热流体波消失而冷壁侧出现两组对称分布的双列热流体波,且其波源始终保持在冷壁中心处。
【关键词】：Marangoni-热毛细对流 垂直热流 水平温度梯度 热流体波 矩形浅液池
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 主要符号表8-9
• 1 绪论9-19
• 1.1 引言9
• 1.2 研究现状9-18
• 1.2.1 Marangoni对流研究现状9-11
• 1.2.2 热毛细对流研究现状11-17
• 1.2.3 耦合Marangoni对流与热毛细对流的研究17-18
• 1.3 课题的研究目的及研究内容18-19
• 2 物理数学模型19-25
• 2.1 引言19
• 2.2 物理模型19-20
• 2.3 控制方程及定解条件20-23
• 2.3.1 控制方程20
• 2.3.2 定解条件20-21
• 2.3.3 控制方程及定解条件的无量纲化21-23
• 2.4 计算工况23
• 2.5 模拟方法23-25
• 2.5.1 软件简介23
• 2.5.2 数值方法及网格验证23-25
• 3 双向温差作用下矩形浅液池内的Marangoni-热毛细对流25-53
• 3.1 稳态Marangoni-热毛细对流25-35
• 3.1.1 垂直热流密度对稳态Marangoni-热毛细对流的影响25-30
• 3.1.2 水平方向温度梯度对稳态Marangoni-热毛细对流的影响30-34
• 3.1.3 小结34-35
• 3.2 非稳态Marangoni-热毛细对流35-53
• 3.2.1 自由表面非稳态Marangoni-热毛细对流的波动形态36-40
• 3.2.2 竖直截面上非稳态Marangoni-热毛细对流的波动形态40-44
• 3.2.3 非稳态Marangoni-热毛细对流不同流态的波动特性44-47
• 3.2.4 Bi数对非稳态Marangoni-热毛细对流的影响47-49
• 3.2.5 非稳态Marangoni-热毛细对流的频谱分析49-52
• 3.2.6 小结52-53
• 4 结论53-54
• 致谢54-55
• 参考文献55-61
• 附录61
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文61
• B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目61

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本文编号：923494