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圆柱腔内混合流体Rayleigh-Bénard对流三维数值模拟

张欢  
【摘要】:双扩散对流是一种广泛存在的物理现象,对其复杂多样的流动行为的深入研究不仅有利于解释大气中污染物的扩散、温盐作用下的大洋环流等多种自然现象,而且为太阳池系统、晶体制备、核反应堆冷却等工业生产过程提供理论指导,因此,双扩散对流一直是学术界研究的热点问题。目前,对于该问题的研究主要集中在水平温度梯度和浓度梯度作用下的双扩散对流,而对圆柱腔内底部加热的混合流体Rayleigh-Bénard对流(Rayleigh-Bénard双扩散对流)的研究较少,尤其是关于流动型态多样性的研究几乎还是一片空白。本文采用有限容积法,对圆柱腔内底部加热的混合流体Rayleigh-Bénard对流进行了三维数值模拟,获取了异丙醇水溶液在不同径深比下流动发生的临界条件及对流结构,重点研究了径深比Г=2时不同浮力比下对流型态的多样性及分岔序列、非稳态流动的周期转变规律,并确定了各种稳定流型的存在范围。结果表明:(1)在混合流体的Rayleigh-Bénard对流中,流动的发生受径深比Г和浮力比N的影响。随着径深比的增加,流动发生的临界Rayleigh(Ra)数逐渐减小,同时流动结构变得更加复杂多样。当N0时,由于温差产生的浮力和浓度差产生的浮力方向相同,使得流体更易从导热态失稳产生对流运动,流动发生的临界Ra数随浮力比的增大而减小;当-1N0时,两种浮力方向相反,对流动产生抑制效应,临界Ra数随浮力比绝对值|N|的增大而增大。(2)圆柱腔体径深比的增大会削弱腔体侧壁对流动的影响,使得对流中涡卷数量增加,从而导致流动结构上的差异。(3)浮力比对流动结构的分岔序列存在较大影响。当N=0时,导热态的流体在临界点处通过超临界叉式分岔形成稳定的流动结构;当N=1时,流体首先经历一段非稳态的流动状态,随着Ra数的增加,流动才趋于稳定;当N=-0.5时,流体在临界点处形成有限振幅的周期振荡流动,在计算范围内没得到稳定的流动结构。(4)在N=0时,以不同的流型作为初始条件,改变Ra数会得到多种流动结构。随着浮力比的增加,一次分岔和二次分岔中得到的稳定流型数量逐渐减少,在计算范围内,N=1时四辐流流型和单环型流型不会转变成其他稳定流型。在-1N0时,只得到了非稳态流动结构,包括非稳态三涡卷、非稳态赛德曼、旋转梅赛德斯和旋转H流型。(5)流动结构的形成及转变除了取决于控制参数外,还受到初始条件及转变过程的影响,这对多种流动结构的共存现象做出合理的解释。(6)热壁平均Nusselt数不仅与Ra数有关,还受到浮力比和流动结构的影响。


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