湍流热对流近底板流态与温度边界层特性

本文采用湍流热对流的并行直接数值模拟(PDM-DNS),计算了系列Ra数的二维方腔和三维扁方腔的Rayleigh-Bénard热对流.针对平均场计算结果,选取Ra=10~9,10~(10),5×10~(10),讨论了二维方腔和展向平均三维扁方腔热对流流动特性.发现二维方腔和三维扁方腔流动中都存在大尺度环流和角涡,而且随着Ra数的增加,大尺度环流的形状变圆,角涡尺寸变小.在二维方腔流动中,大尺度环流呈椭圆形,有四个角涡,而展向平均三维扁方腔流动中,大尺度环流呈梭形,只有两个角涡.由于角涡特性的不同,二维方腔流动中羽流向上运动的范围比展向平均三维扁方腔流动更广,造成二维流动局部区域温度分布高温层厚度变大.温度边界层厚度λ_θ与Ra数之间存在标度关系,二维方腔和三维扁方腔热对流温度边界层变化的标度指数基本一致,标度关系的系数稍有不同.     

矩形腔内纯水凝固过程实验研究

应用PIV并结合温度变化研究纯水在矩形腔内凝固过程中的热自然对流.在侧壁和底部冷却条件下,水平温度梯度是液相区流动产生和发展的主要原因.随着冷却进行,主流区域出现新的对流涡,液相区出现流动反转现象;纯水的临界冰核尺度较大,发生过冷凝固;降低冷端温度可以强化热对流强度,提高凝固速度.     

湍流热对流Prandtl数效应的数值研究

本文采用直接数值模拟的并行直接求解方法,计算了Ra=10~(10),0.05≤Pr≤20的系列Prandtl(Pr)数二维湍流热对流.通过流动显示技术,讨论了Pr数对羽流形态和大尺度环流结构的影响.在Ra=10~(10)时,随着Pr数减小,羽流的运动和分布表现出更强的湍流性质,较高Pr数的羽流则表现出较强的规律性,当Pr4.3时,流场中存在明显的大尺度环流和角涡结构.不同Pr数的温度边界层厚度差异不大,并随Pr数存在标度率变化关系.当Pr数较低时,系统的传热Nusselt(Nu)数随着Pr数增加而增加,当Pr数较高时,Nu数随Pr数的变化不敏感.靠近底板处速度脉动随Pr数有显著的变化,Pr数越低速度波动越剧烈.通过底板中心位置水平脉动速度和平均场水平速度最大值给出的雷诺数Re_((u))和Re_(U_(max)),两种Re数随Pr数的变化满足同一标度律,为Re～Pr~(-0.81).     

圆柱尾流温度标量场的小波分析$lt;font color="#ff0000"$gt;$lt;font color="#ff0000"$gt;（已撤稿）$lt;/font$gt;$lt;/font$gt;

通过使用一排16根冷线探头排在多个空间点同时测量微加热圆柱的尾流温度场, 用小波分析技术对瞬时温度场的时间序列信号进行多尺度分析, 目的是研究不同尺度脉动温度对总体温度场的贡献.直径为d = 12.7 mm 的圆柱产生了被测的尾流, 对应的雷诺数为5500, 测量区域位于下游距离为2d 和 20d 之间. 基于小波多尺度分辨技术, 尾流温度场被分解为不同温度脉动特征尺度的小波分量. 通过分析这些小波分量的瞬时温度等值线图, 能够直接观测到不同特征尺度的涡结构运动特征和湍流间歇过程. 特别地, 我们在近场区从原始信号分解获得的高频区域中发现了K-H涡的存在. 不同尺度的温度方差沿流向的变化表明, 在下游距离为x=3d和 20d之间, 中等尺度的结构比大尺度和小尺度结构对总的温度均方根的贡献更大. 不同尺度的自相关函数表明, 大尺度和中等尺度的结构显示出较大的相关性, 而高频的小波分量则更快地失去了原有的拟序性. 关键词： 湍流尾流 被动标量 小波分析     

采用一维湍流模型对瞬态煤粉气化火焰的数值模拟

煤的气化火焰中,湍流脉动与煤颗粒气化过程间存在着强烈的相互作用。为了在全尺度范围内直接模拟这种相互作用,本文采用一维湍流模型(ODT)与煤的气化过程相耦合,在Kolrnogorov尺度下对煤气化火焰区域进行数值模拟,得到了二维平面煤气化火焰的瞬态结构。模拟结果表明,大尺度涡团能够显著改变火焰的结构,并诱发局部小尺度涡团的产生。颗粒粒径决定湍流-气化过程作用的尺度范围,粒径较小的煤颗粒容易受到气体温度和速度脉动的影响,从而改变其运动轨迹和气化反应进程。     

圆柱尾流温度标量场的小波分析*

通过使用一排16根冷线探头排在多个空间点同时测量微加热圆柱的尾流温度场,用小波分析技术对瞬时温度场的时间序列信号进行多尺度分析,目的是研究不同尺度脉动温度对总体温度场的贡献.直径为d=12.7 mm的圆柱产生了被测的尾流,对应的雷诺数为5500,测量区域位于下游距离为2d和20d之间.基于小波多尺度分辨技术,尾流温度场被分解为不同温度脉动特征尺度的小波分量.通过分析这些小波分量的瞬时温度等值线图,能够直接观测到不同特征尺度的涡结构运动特征和湍流间歇过程.特别地,我们在近场区从原始信号分解获得的高频区域中发现了K-H涡的存在.不同尺度的温度方差沿流向的变化表明,在下游距离为x=3d和20d之间,中等尺度的结构比大尺度和小尺度结构对总的温度均方根的贡献更大.不同尺度的自相关函数表明,大尺度和中等尺度的结构显示出较大的相关性,而高频的小波分量则更快地失去了原有的拟序性.     

湍流热对流中的若干问题

对流是自然界中的一种常见现象,与人们的日常生产、生活息息相关。作为湍流和非线性系统的一个简单模型,在20世纪90年代以后,人们对热对流进行了系统而深入的研究。然而,直到现在,人们对湍流热对流的规律和本质仍然所知有限。文章主要从湍流传热、相干结构、大尺度环流和湍流中脉动量的小尺度统计等四个方面,简要地介绍了近年来湍流热对流的一些新进展。     

湍流边界层拟序结构的大涡模拟研究

采用动力亚格子模型,利用大涡模拟方法模拟了雷诺数为13000的充分发展槽道湍流流动。从瞬时速度和脉动 速度场、脉动速度相关、均方根脉动涡量分布、以及瞬时涡量场等多个方面,对湍流边界层流动的拟序结构进行了分析, 包括近壁区小尺度湍流结构和瞬态过程,如条纹结构、喷射和扫掠过程、以及近壁旋涡结构等。     

圆柱腔体内水凝固过程热对流实验研究

本文通过匹配折射率和标定技术,应用PIV测量了圆柱腔体内水在底部冷却过程中热对流的变化规律．实验发现了主流场的涡结构;另外在底部拐角处出现新的涡,并且不断向上推移;冷却后期整个液相区出现流动反转现象,靠近壁面处水向上流动,中心区域水向下流动。因为存在着复杂的热交换和密度变化,水在凝固过程中存在流动结构失稳,使得液相区内发生强烈的热对流．最后流动强度减弱,重新形成稳定结构。结合泰勒不稳定性分析,本文对这一过程给出了合理解释．     

湍流热对流温度剖面双参数拟合及其变化特性

采用高效并行的直接数值模拟方法计算了三个Pr数的系列Ra数的二维热对流.对所有计算结果的平均场温度边界层特性进行研究,采用考虑脉动作用的双参数温度边界层理论对温度边界层剖面进行拟合,得到了拟合参数a和参数c的分布.参数a决定了温度剖面的基本特性,而参数c起到了对温度剖面外区的修正作用,使得在5个边界层厚度温度边界层剖面的计算值与理论解符合良好.参数c的变化特性与参数a的相反, a值增大则c值减小.不同的Pr数拟合参数a随Ra数变化具有不同的分布特性,但都存在突然减小的间断.参数a的间断变化是由湍流热对流流动状态由椭圆形大尺度环流突变到圆形大尺度环流造成的,且随着Pr数变大间断点的特征Ra数增高.相同Ra数时Pr数越大温度剖面的拟合参数a值越小,表明温度边界层中脉动的影响越小.传热特性N u/Ra0.3、表征羽流运动特性的大尺度环流路径周长,及温度边界层拟合参数a三者随Ra数的变化都存在转折或间断,且对应相同的特征Ra数,显示三者具有很好的相关性并与流动形态变化直接关联.     

Large scale structures in Rayleigh-Bénard convection at high Rayleigh numbers

Direct numerical simulations of Rayleigh-Bénard convection in a plane layer with periodic boundary conditions at Rayleigh numbers up to 10(7) show that flow structures can be objectively classified as large or small scale structures because of a gap in spatial spectra. The typical size of the large scale structures does not always vary monotonically as a function of the Rayleigh number but broadly increases with increasing Rayleigh number. A mean flow (whose average over horizontal planes differs from zero) is also excited but is weak in comparison with the large scale structures. The large scale circulation observed in experiments should therefore be a manifestation of the large scale structures identified here.     

Large-scale patterns in Rayleigh-Bénard convection

Rayleigh-Bénard convection at large Rayleigh number is characterized by the presence of intense, vertically moving plumes. Both laboratory and numerical experiments reveal that the rising and descending plumes aggregate into separate clusters so as to produce large-scale updrafts and downdrafts. The horizontal scales of the aggregates reported so far have been comparable to the horizontal extent of the containers, but it has not been clear whether that represents a limitation imposed by domain size. In this work, we present numerical simulations of convection at sufficiently large aspect ratio to ascertain whether there is an intrinsic saturation scale for the clustering process when that ratio is large enough. From a series of simulations of Rayleigh-Bénard convection with Rayleigh numbers between 10⁵ and 10⁸ and with aspect ratios up to 12π, we conclude that the clustering process has a finite horizontal saturation scale with at most a weak dependence on Rayleigh number in the range studied.     

滑移边界对二维Rayleigh-Bénard热对流流态和传热特性的影响

采用并行直接数值模拟（PDM-DNS）计算无滑移和滑移边界二维Rayleigh-Bénard热对流.与无滑移边界形成的随机羽流运动的湍流热对流不同,滑移边界热对流最终形成湍流特征消失,且温度仅分布于四壁的一个大尺度环流的流动形态.平均场近底板的温度分布特性,无滑移边界逐渐变化而滑移边界出现过冲现象.宽高比Γ=1时,Nusselt数（Nu）随Rayleigh数（Ra）的变化具有相同标度指数,Nu~Ra^0.3.滑移边界热对流具有传热增强作用.滑移边界热对流Nu随Γ变化明显,并分为两个阶段,在Γ=0.5时出现Nu_max≈250,是无滑移边界热流Nu的5倍.     

New perspectives in turbulent Rayleigh-Bénard convection

Recent experimental, numerical and theoretical advances in turbulent Rayleigh-Bénard convection are presented. Particular emphasis is given to the physics and structure of the thermal and velocity boundary layers which play a key role for the better understanding of the turbulent transport of heat and momentum in convection at high and very high Rayleigh numbers. We also discuss important extensions of Rayleigh-Bénard convection such as non-Oberbeck-Boussinesq effects and convection with phase changes.     

New perspectives in turbulent Rayleigh-Bénard convection

Recent experimental, numerical and theoretical advances in turbulent Rayleigh-Bénard convection are presented. Particular emphasis is given to the physics and structure of the thermal and velocity boundary layers which play a key role for the better understanding of the turbulent transport of heat and momentum in convection at high and very high Rayleigh numbers. We also discuss important extensions of Rayleigh-Bénard convection such as non-Oberbeck-Boussinesq effects and convection with phase changes.     

Onset of coherent oscillations in turbulent Rayleigh-Bénard convection

We report temperature cross correlation and velocity profile measurements in the aspect-ratio-one convection cell filled with water. A sharp transition from a random chaotic state to a correlated turbulent state of finite coherence time is found when the Rayleigh number becomes larger than a critical value Ra(c) approximately equal to 5 x 10(7). The experiment reveals a unique mechanism for the onset of coherent oscillations in turbulent Rayleigh-Bénard convection.     

Role of anisotropy on the domain wall properties of ferromagnetic nanotubes

In this paper we investigate the role of magneto-crystalline anisotropy on the domain wall (DW) properties of tubular magnetic nanostructures. Based on a theoretical model and micromagnetic simulations, we show that either cubic or uniaxial magneto-crystalline anisotropies have some influence on the domain wall properties (wall size, propagation velocity and energy barrier) and then on the overall magnetization reversal mechanism. Besides the characterization of the transverse and vortex domain wall sizes for different anisotropies, we predict an anisotropy dependent transition between the occurrence of transverse and vortex domain walls in tubular nanowires. We also discuss the dynamics of the vortex DW propagation gradually increasing the uniaxial anisotropy constant and we found that the average velocity is considerably reduced. Our results show that different anisotropies can be considered in real samples in order to manipulate the domain wall behavior and the magnetization reversal process.     

Cascades of velocity and temperature fluctuations in buoyancy-driven thermal turbulence

Direct multipoint measurements of the velocity and temperature fields have been made in a turbulent Rayleigh-Bénard convection cell. In the central region of the cell it is found that both velocity and temperature exhibit the same scaling behavior that one would find for the velocity and for a passive scalar in homogeneous and isotropic Navier-Stokes turbulence. This is despite the fact that energy is pumped into the system vertically via buoyancy. Near the cell's sidewall where thermal plumes abound, vertical velocity and temperature exhibit different scalings. A model that takes into account both buoyancy and energy dissipation is proposed and its predictions agree well with the sidewall experimental results.