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长方体对流槽Rayleigh-Bénard湍流热对流系统中对数温度剖面的实验研究

卢辉  
【摘要】:热对流不仅在大气、海洋、地核、地幔对流等自然现象中起着重要作用,而且在工业设备冷却、核反应堆设计、晶体生长等工业生产中也有着重要意义。Rayleigh-Bénard(RB)湍流热对流系统是从众多自然现象和工程问题中抽象出来的研究对流问题的经典流体力学模型。本文主要研究RB系统中竖直温度剖面的分布规律,这对理解RB系统的传热机理有着重要帮助。我们通过实验手段,高精度测量了RB系统中的竖直温度剖面。在系统内部放置测温支架,支架上依次布置有四个测温探头,通过调节支架垂向高度测得不同空间位置处的温度值T(x,z)。本实验采用长方体对流槽,宽高比为Γx=1.0和Γy=0.3,以除去气泡的水为对流介质,系统控制参数Prandtl数恒定(Pr=5.4),Rayleigh数的变化区间为3.2×1010≤Ra≤9.4×1010。分析实验结果主要得到以下结论:(1)无量纲时均温度剖面(,)=[?(,)?-]/(其中z是探头距离下导板的高度,?T是对流槽上下导板温差,Tm是平均温度,〈…〉表示时间平均)存在对数律关系:(,)=log(/)+(A、B是待定参数);(2)结合RB系统流动显示图我们认为间歇产生于温度边界层的局部热结构——羽流在运动过程中的湍流混合作用是导致温度剖面存在对数律的主要原因;(3)实验中首次发现羽流的非均匀分布会导致不同水平位置处的温度剖面的对数高度区间存在差异;(4)不同水平位置的羽流分布和垂向特征速度是不同的,实验结果表明对数律参数A与水平位置ξ(无量纲化ξ=x/l,表征与系统中心轴的相对距离,其中l为系统宽度L的一半)相互独立;(5)对数律参数A与Ra数也是相互独立的。对比圆柱形对流槽实验结果发现有以下三个不同点:(1)长方体RB对流系统的温度剖面存在明显的平稳区;(2)长方体RB对流系统的温度值的变化范围较大;(3)圆柱形对流槽实验中对数律参数A与径向位置是有关的。原因在于长方体对流槽对系统内部大尺度环流的角向运动有明显的限制作用,羽流分布的不均匀性比圆柱形对流行槽更明显。由于长方体对流槽中对数律参数A的相对独立性,A值集中在很小范围内波动,本文最后预测所有长方体RB湍流热对流系统中都有相似对数温度剖面规律,存在一个可描述系统整体的对数温度特性的“对数律参数均值”,这个均值可能与系统宽高比Γ和Pr数有关系。


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