底部热加载下两层多孔介质热流耦合现象研究

底部热加载条件下非线性流动传热问题的求解一直是多孔介质研究领域的难题。采用实验测试及数值模拟的方法,对底部热加载方式下两层多孔介质内热流耦合对流传热解的特性进行了研究。研究结果表明:在小瑞利数工况下,两层多孔介质内骨架内材料比例对温度场分布和非线性特性有重要影响;确定了非线性分叉、震荡解的特征值,并计算出了不同材料比例下的分叉及震荡所对应的临界瑞利数;通过实验验证了底部热加载时两层多孔介质内温度随时间呈非稳态震荡变化。结论可为实现热流分层、局部削弱或强化传热提供参考。     

大尺寸液桥热毛细对流失稳性地面实验研究

开展大尺寸液桥浮力-热毛细对流地面实验, 探究流场转捩的临界条件及临界状态附近的流动情况. 通过粒子图像测速方法(PIV) 获得流体速度场, 研究液桥内部定常和转捩后的流场结构以及流体运动规律;并用红外热像仪测量液桥自由面温度分布, 研究流体流动的时空演化和温度振荡. 实验发现大尺寸半浮区液桥浮力-热毛细对流临界值与几何参数有关, 在大普朗特(Prandtl) 数情况下, 流场存在由稳定态向不稳定态再到混沌的转捩过程, 在临界马兰哥尼(Marangoni) 数附近, 流场内会出现行波现象, 流动模式也会随高径比的变化而发生变化;当继续增大马兰哥尼数, 流动会进入混沌状态.      

水平流动对周期加热的Rayleigh-Bénard对流的影响

采用二维流体力学基本方程组对普朗特数Pr=0.0272的具有水平流动周期性加热的Rayleigh-Bénard对流特性进行数值模拟.结果说明,当相对瑞利数给定时,对流斑图的形成取决于水平流动强度.由对流斑图随着时间的变化确定了对流周期.随着相对瑞利数的减小,对流周期适应的水平流动强度减小,并且水平流动强度的存在范围减小.随着相对瑞利数的增加,对流周期变小.随着水平流动强度的增加,对流周期变小,并且对流周期变化的梯度变小.随着水平流动强度的增加,两个局部行波对流区的范围减小,水平流动区间增加.然后,随着水平流动强度的进一步增加,第一对流区先消失.当水平流动强度足够大时第二对流区也消失.腔体内形成水平流动.随着相对瑞利数的增大,第一对流区和第二对流区消失的临界水平流动强度也增大.     

长方腔自然对流第一次分岔突变现象的数值分析

在对网格密度作用进行详细分析的基础上,采用二阶全展开 Euler-Taylor-Galerkin分裂步有限元方法,对封闭水平矩形腔体内流体 (Pr=0.71)自然对流的第一次分岔过程进行了数值预报. 计算结果表明,第一次分岔相应的流动拓扑及临界Rayleigh ($Ra$)数随矩形腔体长宽比(W/B)取值的不同时会发生较大变化. 在所计算的长宽比取值范围内,封闭矩形腔内,流体自然对流第一次分岔拓扑的变化对应两种大的类型: 在较小的长宽比取值范围内(W/B\le 2.5),临界Ra数两侧,流动从单一涡核的定常流动突变成为具有不对称结构的定常双涡核运动, 在此范围内临界Ra数的取值随W/B取值的增加而减小;当对应长宽比取值2.6 \le W/B \le 4.0时,第一次分岔拓扑结构的变化呈现出更加复杂的特性,临界Ra数两侧流动从定常双涡核突变为定常非对称的三涡核流动,相应的临界Ra 数也随W/B的增加而减少. 而在区间[2.5,2.6]两端,临界Ra数的取值发生一次阶跃式突增,将该长宽比取值的区间定义为长方腔内该流体第一次分岔的突变区间.      

封闭方腔内空气和水自然对流每一次分岔数值预报

采用二阶全展开ETG分裂步有限元方法,通过对流动拓扑的详细分析,在排除网格密度影响的基础上,结合二分法给出封闭方腔内空气和水两种典型流体自然对流发生第一次分岔时的临界Rayleigh数。计算结果表明,该方法可用于进行不同Prandtl数条件下方腔内自然对流流动第一次分岔的数值预报,可作为后续各阶分岔及转捩数值预报研究的基础。在相应的条件下,封闭方腔内空气比水更容易发生分岔,且空气的流动结构相对于水表现出一定的倾斜性。     

侧加热腔内的自然对流

开展侧加热腔内自然对流的研究具有重大的环境及工业应用背景. 总结侧加热腔内水平温差驱动的自然对流的最新研究进展, 并概述相应的流动性质、动力机制和传热特性以及对不同无量纲控制参数的依赖也有重要的科学价值. 已取得的研究结果显示突然侧加热的腔内自然对流的发展可包括初始阶段、过渡阶段和定常或准定常阶段. 不同发展阶段的流动依赖于瑞利数、普朗特数及腔体的高宽比, 且定常或准定常阶段的流态可以是定常层流流动、非定常周期性流动或者湍流流动. 此外, 回顾了对流流动失稳机制的研究成果以及湍流自然对流方面的新进展. 最后, 展望了侧加热腔内的自然对流研究的前景.      

侧壁面正弦加热条件下自然对流研究

通过采用SIMPLE算法求解二维流体力学基本方程组,研究了侧壁面正弦加热条件下普朗特数Pr=6.94的流体自然对流的动力学特性。结果表明,当格拉晓夫数Gr=4.4×10~3时系统由稳态阶段向周期阶段转变。在周期性阶段存在两种特殊的对流结构,它们是单局部对流卷和双局部对流卷;给出了特征物理量的分布及变化规律;说明垂直最大流速、水平最大流速、努塞尔数随着格拉晓夫数的增加而增加。最后,分析了腔体宽度对热壁面传热能力的影响,发现:当高宽比一定条件下,腔体宽度较大时,热壁面的传热能力较弱;对于宽度d分别为1cm和2cm的腔体,随着格拉晓夫数增大,最大努塞尔数的差值增大。     

具有强SORET效应的充分发展的混合流体行进波对流

混合流体Rayleigh-Benard对流是研究对流稳定性,时空结构和非线性特性的典型模型之一。本文利用流体力学扰动方程组的数值模拟,讨论了偏离传导状态具有强SORET效应的混合流体行进波对流的温度场和浓度场的成长过程,分析了充分发展对流情况下的对流振幅,Nusselt数及混合参数与相对瑞利数的关系。并给出了行进波相速度对相对瑞利数的依赖关系。结果说明混合参数的曲线与行进波相速度的分布曲线是类似的。文末,给出了垂直速度,温度和浓度场的分布并讨论了相对瑞利数对场的分布及不同场之间的相位差的影响。     

具有水平流动的Rayleigh-Benard对流斑图

本文利用数值模拟,探讨了普朗特数 时有水平流动的Rayleigh-Benard对流结构．当水平流动强度 时,发现定常对流的多重稳定性．当 时,Rayleigh-Benard(RB)对流中存在三种对流斑图．它们的出现依赖于水平流动强度 和相对瑞利数 ．与 相比,在 时的行波具有不同的动力学特性．     

基于POD-Galerkin降维方法的热毛细对流分岔分析

作为流动与传热相互耦合的非线性过程, 热毛细对流有着复杂的转捩过程, 探究流场和温度场随参数变化而发生的分岔现象, 是热毛细对流研究的一个重要课题. 基于本征正交分解的POD-Galerkin降维方法可以通过提取特征模态, 构建低维模型, 实现流场的快速计算. 数值分岔方法可以通过求解含参数动力系统的分岔方程, 直接计算稳定解和分岔点. 探究了将直接数值模拟方法、POD-Galerkin降维方法、数值分岔方法的优势结合, 以提高热毛细对流转捩过程分析效率的可行性. 利用直接数值模拟得到的流场和温度场数据, 构建了不同体积比下, 二维有限长液层热毛细对流的POD-Galerkin低维模型, 在低维模型上采用数值积分及数值分岔方法计算了分岔点, 得到了低维方程的分岔图. 在一定参数范围内, 在低维模型上模拟热毛细对流, 对雷诺数和体积比进行参数外推, 通过与直接数值模拟的结果对比, 验证了低维模型的准确性与鲁棒性. 说明了低维方程可以定性反映原高维系统的流动特性, 而定量方面, 由低维模型和直接数值模拟计算得到的周期解频率的相对误差大约为5%. 验证了利用POD-Galerkin降维方法研究热毛细对流的可行性.      

方腔内自然对流与混合对流的有限差分格子Boltzmann研究

基于有限差分法,建立了贴体坐标系下求解流体流动和传热的双分布格子Boltzmann模型.在密度分布函数和温度分布函数对应的离散速度方程中,时间项采用四阶Runge-Kutta法离散,空间离散采用二阶迎风和二阶中心差分的混合形式.采用此模型分别对瑞利数为10~3、10~4、10~5、10~6的方腔自然对流以及理查森数为0.1、1、10的方腔混合对流进行了数值模拟,获得了流体速度与温度分布的典型特征,得到的努塞尔数也与基准解高度吻合.计算结果表明了本文采用的数值方法和计算程序的有效性.     

裂缝角度对含气多孔介质热流耦合特性影响研究

为研究含裂缝多孔介质内部流体的流动和传热特性,通过热-流耦合传热实验测试对5种裂缝倾角(0°,15°,30°,150°,165°)多孔介质进行了研究.结果表明:裂缝角度y=0°的多孔介质达到稳态需要时间最长,约为720min,传热速率最慢,适用于削弱传热应用;裂缝角度旋转方向对多孔介质内高低温流体的混合能力影响较大,裂...     

浮力对混合对流流动及换热特性的影响

用热线和冷线相结合的技术测量垂直圆管内逆混合对流流体的平均速度、 温度以及它们的脉动. 较详细地研究了浮力对逆混合对流的流动特性和传热特性的影响. 评 估了实验中采用的冷线测量温度补偿速度探头温度敏感的影响. 逆混合对流的传热结果用无 量纲参数Ω (Ω= Grd / Red2 )来表示，其中，基于管道直 径的雷诺数Red变化范围为900~18000, 浮力参数Ω变化范围为 0.004899~0.5047. 研究结果表明，浮力对逆混合对流的换热有强化作用. 随着葛拉晓夫数Grd的增加，温度脉动，流向雷诺正应力和流向温度通量增 大，并且在靠近壁面的流体区域尤其明显. 热线与冷线相结合的技术适合于研究非绝热的流 动测量，可以用于研究浮力对流动和换热特性的影响.     

小长高比腔体内的摆动行波

通过流体力学基本方程组的数值模拟,探讨了具有Soret效应(分离比ψ=?0.47)和小长高比(Γ=8)腔体中混合流体摆动行波对流的动力学特性。研究表明:在相对瑞利数r3.467时系统出现了行波状态;在r=3.647～6.227的范围内,发现了摆动行波对流;且对流振幅随着时间的变化存在两种不同特性,其摆动周期随瑞利数r增大而减小,对流振幅和努塞尔数随瑞利数r增大而增加;当r增大到r=6.228时,摆动行波过渡到定常对流状态。因此,在行波对流向定常对流过渡的过程中存在摆动行波对流.     

AN EFFICIENT SOLUTION FOR 2D RAYLEIGH-BÉNARD CONVECTION USING FFT

研究提高二维方腔瑞利-贝纳德对流 直接数值模拟求解方法的计算效率问题.对于非定常湍流热对流, 压力泊松方程的求解是影响整个计算效率的关键. 利用快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)解耦并结合追赶法, 可实现压力泊松方程的直接求解.通过与跳点超松弛迭代法在求解精度和计算速度对比, 可以看到, 利用FFT压力泊松方程直接方法计算热对流问题是高效的.还给出了典型状态的热对流初始羽流和大尺度环流温度场, 以及系列瑞利数(Ra)计算结果的宏观传热努塞数(Nu)变化.     

基于侵入混沌多项式法的随机多孔介质内顺磁性流体热磁对流不确定度量化

目前流体流动与传热问题的研究大都基于确定性工况条件,而现实流体流动与传热问题中存在着大量不确定性因素,计算流体力学的不确定性量化提供了一种理解流体物性、边界条件与初始条件等不确定性因素对模拟结果影响的能力.为揭示随机多孔介质内顺磁性流体热磁对流的传播规律与演化特征,本文发展了一种基于侵入式多项式混沌展开法的热磁对流不确...     

多孔介质内黏弹性流体的热对流稳定性研究

基于修正的Darcy模型, 介绍了多孔介质内黏弹性流体热对流稳定性研究的现状和主要进展. 通过线性稳定性理论, 分析计算多孔介质几何形状(水平多孔介质层、多孔圆柱以及多孔方腔)、热边界条件(底部等温加热、底部等热流加热、底部对流换热以及顶部自由开口边界)、黏弹性流体的流动模型(Darcy-Jeffrey, Darcy-Brinkman-Oldroyd以及Darcy-Brinkman -Maxwell模型)、局部热非平衡效应以及旋转效应对黏弹性流体热对流失稳的临界Rayleigh数的影响. 利用弱非线性分析方法, 揭示失稳临界点附近热对流流动的分叉情况, 以及失稳临界点附近黏弹性流体换热Nusselt数的解析表达式. 采用数值模拟方法, 研究高Rayleigh数下黏弹性流体换热Nusselt数和流场的演化规律,分析各参数对黏弹性流体热对流失稳和对流换热速率的影响.主要结果:(1)流体的黏弹性能够促进振荡对流的发生;(2)旋转效应、流体与多孔介质间的传热能够抑制黏弹性流体的热对流失稳;(3)在临界Rayleigh数附近,静态对流分叉解是超临界稳定的, 而振荡对流分叉可能是超临界或者亚临界的,主要取决于流体的黏弹性参数、Prandtl数以及Darcy数;(4)随着Rayleigh数的增加,热对流的流场从单个涡胞逐渐演化为多个不规则单元涡胞, 最后发展为混沌状态.      

多孔介质内黏弹性流体的热对流稳定性研究

基于修正的Darcy模型,介绍了多孔介质内黏弹性流体热对流稳定性研究的现状和主要进展.通过线性稳定性理论,分析计算多孔介质几何形状(水平多孔介质层、多孔圆柱以及多孔方腔)、热边界条件(底部等温加热、底部等热流加热、底部对流换热以及顶部自由开口边界)、黏弹性流体的流动模型(Darcy-Jeffrey, DarcyBrinkman-Oldroyd以及Darcy-Brinkman-Maxwell模型)、局部热非平衡效应以及旋转效应对黏弹性流体热对流失稳的临界Rayleigh数的影响.利用弱非线性分析方法,揭示失稳临界点附近热对流流动的分叉情况,以及失稳临界点附近黏弹性流体换热Nusselt数的解析表达式.采用数值模拟方法,研究高Rayleigh数下黏弹性流体换热Nusselt数和流场的演化规律,分析各参数对黏弹性流体热对流失稳和对流换热速率的影响.主要结果:(1)流体的黏弹性能够促进振荡对流的发生;(2)旋转效应、流体与多孔介质间的传热能够抑制黏弹性流体的热对流失稳;(3)在临界Rayleigh数附近,静态对流分叉解是超临界稳定的,而振荡对流分叉可能是超临界或者亚临界的,主要取决于流体的黏弹性参数、Prandtl数以及Darcy数;(4)随着Rayleigh数的增加,热对流的流场从单个涡胞逐渐演化为多个不规则单元涡胞,最后发展为混沌状态.     

Rayleigh-Benard对流中小扰动的发展及对流斑图

通过二维流体力学的扰动方程组的数值模拟,探讨了分离比ψ=-0.2时,长高比Γ=30的矩形腔体中混合流体Rayleigh-Benard对流发生点附近扰动的成长和斑图的形成。结果表明:温度场线性成长阶段扰动的成长率γ_m是相对瑞利数r的函数,成长率γ_m随着相对瑞利数r的变化关系式为γ_m=0.9351r~(5.2039);在对流发生点附近的瞬态斑图取决于相对瑞利数r。给出了不同的相对瑞利数r(r分别为1.5、1.7、1.8)的情况下从小振幅到大振幅稳定状态的过渡过程中的两种不同的对流斑图,并讨论了其动力学特性。研究发现,当r较大时,存在行波与定常波共存的现象。     

有水平流时双流体混合物对流的时空演变

在水平流动作用下混合流体(比如水和酒精)的Rayleigh-Benard对流,由于外部强制力和内在行波传播的耦合,构成了研究开流系统中斑图选择和非线性耗散波的理想模型系统,本文介绍对该系统初步的研究成果.首先简述了线性稳定性分析以及水平流对行波非线性分岔特性的影响,然后主要给出我们对这一系统在有限空间非周期边界条件下一维行波对流的研究成果,包括存在的时空形态及其特性对Rayleigh数和槽道长度的依赖关系,最后给出了进一步工作的展望.