倾斜热对流中的大尺度环流

发布时间：2020-03-23 07:37

【摘要】：大尺度环流广泛存在与大自然界中,如大气环流和海洋环流。本文主要对倾斜Rayleigh-Bénard湍流热对流系统中的大尺度环流进行了研究,实验装置是一个底面直径D和高H均是0.1 m即尺度比Γ=1的圆柱形对流槽,流体介质为水,系统中心温度T_0恒定为40~?C,普朗特数Pr≈4.38,温差控制在4≤?T≤20~?C即瑞利数为1.52×10~8?Ra?7.58×10~8,倾斜角范围为0~?≤β≤75~?。实验测量了系统的换热强度Nu与倾斜角和瑞利数的依赖关系,发现在没有倾斜角(β=0~?)时,系统的换热Nu随Ra满足0.3的指数标度率关系,当倾斜角增大时,系统的Nu下降并在β=15~?达到最小值,继续增大倾斜角Nu又开始上升,当β60~?,系统开始趋于层流化,大尺度环流平面的运动消失,Nu随着β的增大开始下降,且Nu数不再受Ra的影响。Rayleigh-Bénard湍流热对流系统大尺度环流平面的运动包括旋转运动和晃动运动,实验在系统中间平面边壁进行温度的测量,并对温度数据用正弦和余弦函数模型进行分析得到了系统大尺度环流的动力学参数,包括大尺度环流的旋转角θ_m、大尺度环流强度δ、晃动角α。通过分析中间平面温度的时间序列以及大尺度环流旋转角和晃动角随时间的变化,我们同样发现系统从湍流运动向层流运动转化的过程。此外我们还对大尺度环流的动力学参数进行统计分析,发现在β=0~?的实验条件,不同Ra下,大尺度环流平面的旋转角的概率密度分布满足同一高斯分布,旋转角速率的概率密度分布不受Ra数的影响;大尺度环流平面的晃动角的概率分布则是近似对称的双峰分布,晃动角速率的概率密度分布不受Ra的影响,对晃动角的功率谱密度分析发现大尺度环流的晃动运动存在明显的周期性即存在一个晃动频率,且无量纲的晃动频率f H~2/ν与Ra存在一个4/9的指数标度率关系与GL理论相吻合。随着倾斜角β的增大,大尺度环流平面旋转角的概率分布仍然服从高斯分布,但高斯分布中的标准差与β有关,大尺度环流强度与倾斜角也存在依赖关系;而大尺度环流晃动角的概率分布随着倾斜角的增大由双峰分布向偏斜的单峰分布发展,同时晃动角的周期性逐渐减弱至消失。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O357.5

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本文编号：2596415