等热流密度加热垂直下降液膜的研究

发布时间：2021-04-18 15:29

　　利用等热流密度加热条件下降膜流动的三维模型方程进行线性稳定性分析和数值模拟。线性稳定性分析表明,模型方程在小到中等Reynolds数下都适用,并且流向不稳定性增长率随着Reynolds数和Marangoni数增加而增加,展向不稳定性增长率则随着Marangoni数增加而增加,随着Reynolds数增加而减小,流向和展向对扰动波数都存在一个不稳定区间。三维数值模拟表明,在等热流密度加热条件下,液膜在随机扰动的情况下最终会形成带孤立波的三维溪流状结构,液膜与气体的换热也因溪流状结构的出现而加强;在随机扰动的基础上引入占优势地位的展向最不稳定扰动会使得换热增强,液膜会提前破裂;在随机扰动的基础上引入占优势地位的流向最不稳定扰动时,液膜的换热会增强,但不会提前破裂;在随机扰动的基础上同时引入占优势地位的流向和展向最不稳定扰动时,换热会加强且液膜会提前破裂。 

【文章来源】：计算力学学报. 2019,36(02)北大核心CSCD

【文章页数】：10 页

【部分图文】：

图１下降液膜Ｆｉｇ．１Ｓｋｅｔｃｈｏｆｆａｌｌｉｎｇｌｉｑｕｉｄｆｉｌｍ

＝ＡｓＡｗ〈θ〉θＮ＝Ａ＊〈θ〉［Ｂ＋Ｂｗ（１＋Ｂ）］（１７）Ａ＊为波动液膜表面积与Ｎｕｓｓｅｌｔ解状态下的液膜表面积之比，〈θ〉为波动液膜表面的平均温度。因此，可以用ＥＨＴ描述液膜在演化过程中的换热变化。４．１随机扰动对于随机扰动，取计算区域为Ｌｘ＝２ｎｘπ／ｋｘ（ｎｘ＝８），Ｌｚ＝２ｎｚπ／ｋｚ（ｎｚ＝８），以包含足够宽的波数区间，允许不同波长的波相互作用。图５为液膜在不同时刻的演化。其中，横向为展向，纵向为流向，括号内是液膜厚度的极值。计算参数为Ｒｅ＝１．２５，Γ＝３３７５，β＝π／２，Ｐｒ＝７，Ｂｉ＝０．１２，Ｂｉｗ＝０．６，Ｍａ＝２０。计算区域为２ｎｘπ／ｋｘ×２ｎｚπ／ｋｚ，其中ｎｘ＝ｎｚ＝８，ｋｘ＝０．３８９１，ｋｚ＝０．３８９１，Ａｘ＝０，Ａｚ＝０，Ａｎｏｉｓｅ＝０．００１，网格总数为１２８×１２８。在初始阶段，随机扰动因为水动力学不稳定性和Ｍａｒａｎｇｏｎｉ不稳定性而增长，经过一段时间演化，出现了与展向近似平行的鱼鳞波纹，如图５（ａ）所示。在这个阶段，水动力学不稳定性是主导性的，流动的发展与无加热情况下非常相似。在第二阶段，鱼鳞状波纹因为水动力学不稳定性与展向Ｍａｒａｎｇｏｎｉ不稳定性的互相竞争而逐渐断裂和合并，如图５（ｂ）所示。经过一段时间演化，波纹逐渐平行于流动方向，如图５（ｃ，ｄ）所示。在第三

５（ｃ，ｄ）所示。在第三阶段，因为展向没有平均流，Ｍａｒａｎｇｏｎｉ效应逐渐地堆积流体，形成溪流结构，溪流结构的幅度持续增长，如图５（ｅ）所示。在第四阶段，当其幅度增长到足够大时，溪流结构再次对流向扰动不稳定，如图５（ｆ）所示。随着时间演化，这些不稳定波逐渐增长为三维孤立波，这些孤立波有较大的波幅和速度，其主峰前面有一些毛细波纹。ＨＦ条件下液膜演化的过程与ＳＴ条件下液膜演化过程［１５］十分相似。图６的计算参数同图５。从图６可以看出，在ｔ＝３６００之后，Ｅｚ快速增加而Ｅｘ逐渐减小，反映了三维溪流结构的出现和流向波的消失，此时ＥＨＴ的值迅速增加，表明换热在短时间内迅速加强；同时，Ａ＊的值也迅速增加，表明主要是由于液膜的表面积变大导致换热面积增加，进而引起了换热加强；图５随机扰动下液膜的演化Ｆｉｇ．５ＥｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｉｌｍｕｎｄｅｒｒａｎｄｏｍｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｃｏｍｐｕｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅＲＭ图６变形能和换热变化Ｆｉｇ．６Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｉｅｓａｎｄｃｈａｎｇｅｏｆｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ４８１计算力学学报第３６卷


本文编号：3145718