水平来流对底部加热流层流动特性影响的研究

发布时间：2019-07-22 12:57

【摘要】：城市中热岛效应,海洋中海水环流和工业中污水对环境的污染等都会涉及到对流运动问题。根据产生机理不同,对流运动可分为自然对流和强制对流,其中自然对流是因浓差或温差引起密度变化而产生;而强制对流是由于外力推动而产生。本文主要是研究热对流,其实热对流是自然对流中的一种对流形式,也是热传递的一种方式。热对流是液体或气体中较热部分和较冷部分之间通过循环流动使温度趋于均匀的一个过程。采用Rayleigh-Benard对流模型能很好地进行热对流研究试验,它被国内外专家和学者广泛采用。该模型具有实验简单且易于控制,便于进行理论分析等特点。科学工作者们通过研究,获得了许多的Rayleigh-Benard对流的研究成果,这些成果不仅能够良好的揭示对流现象,还能丰富物理学、经典力学和流体力学等基础学科。针对普朗特数Pr = 6.99,0.72,0.0272三种流体,本文采用二维流体力学基本方程组进行数值模拟;研究了腔体高度,水平来流和周期性加热对Rayleigh-Benard对流的时空结构,对流斑图和对流特性的影响。研究结果如下:(1)腔体高度方面:选取腔体高度d=1d0,1.4d0,1.8d0,2d0,3d0时(其中d0=1cm),研究了对流运动的动力学特性。发现了随腔体高度d的增加,稳定对流的对流圈数减、少,对流波数k基本保持恒定;且研究了对流稳定后的对流振幅和努塞尔数与腔体高度d之间的关系。(2)水平来流方面:在水平来流的作用下,研究对流可获得以下结论:①·对流成长过程可以划分为三个阶段,即为对流发展、对流指数成长和周期变化;在指数成长阶段,线性成长率随相对瑞利数的增大而增大;行波周期对水平来流雷诺数的依赖。②.对流存在均匀行波,局部行波和水平流三种对流斑图;局部行波具有水平来流上下临界雷诺数,且水平来流上下临界雷诺数随相对瑞利数增大而增大。③.研究了对流斑图的分区和对流斑图的成长,对流斑图分为行波区,局部行波区,水平流区;三个区间内对流斑图的成长过程是不同的,但对流圈都是从下游区开始成长的。④.局部行波对流斑图的水平流宽度随水平来流雷诺数和相对瑞利数的变化。(3)周期加热方面:对腔体底部进行周期加热,研究了流体运动随水平来流的变化,局部行波运动的稳定周期随水平来流雷诺数的变化,以及局部行波运动区间对水平来流雷诺数的依赖。
【图文】：
对流示意图

标原点定于腔体底板和左壁板相交处，以 x 轴的向右方向，，z 轴的向上方sinesq 假设条件下，为了满足温度的线性变化，施加给腔体的温度差都求解方程过程中只考虑浮力项的密度变化，浮力项的密度与温度的关 0 -αT T，其它项的密度取为常数。下标为 0 表示热传导状态下相应图 2-1 是对流的示意图。描述该系统的流体力学方程组可表示如下： U 0（2.1） U U U gU020- ναTTρpt （2.2） TκTtT2 U（2.3） u,0,w，T，p，t 分别为速度矢量场，温度场，压力，时间。zg ge，矢量, g 为重力加速度。
腔体上下壁温度Fig.2-2Temperatureoflowerandupperwalls

图 2-2 腔体上下壁温度Fig.2-2 Temperature of lower and upper walls腔体具有水平来流。因此，：左端部进口设置流速： dzdzu 4u1max，w=0。：左端部进口的温度为： dzT TT/20.50 。：右端部出口为自由出流： 0 xTxU。式中：xL 为腔体长度。初始条件为 u w 0，初始温度取平均值（ T 293.15K）。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TV131

【参考文献】