Rayleigh-Bénard湍流热对流研究的进展、现状及展望

对流现象广泛存在于恒星和行星里.在地球上,对流现象在诸如大气、海洋、地核和地幔等众多动力学系统中起着重要作用.Rayleigh-Bénard(RB)湍流热对流系统是从这些复杂的自然现象中抽象出来的研究对流问题的经典流体力学模型.本文主要从湍流传热、羽流、大尺度流动结构、速度和温度脉动的小尺度统计和非传统RB对流等几个方面着重评述近年来RB对流的若干研究新进展,并对今后的研究做出展望.

Rayleigh-Bénard湍流热对流中主动和被动标量场Cliff结构统计特性的实验研究

实验研究了Rayleigh-Bénard湍流热对流中主动和被动标量场Cliff结构的统计特性,实验参数Rayleigh数为Ra=1.2×1010,Prandtl数为Pr=5.3.在充满对流介质水的长方体对流槽边壁附近实验测量了局域浓度场(被动标量场)和局域温度场(主动标量场)的时间序列,从测得的时间序列中提取出Cliff结构,提取参数为β,并分析了Cliff结构的宽度、振幅和尺寸的数量分布图.研究发现,浓度和温度场Cliff结构宽度的数量分布图形状并不随β而改变,而Cliff结构的最可几振幅却随着β的增大而增大.此外,Cliff结构的尺寸满足对数正态分布,这表明湍流热对流中被动标量场的扩散和混合是由羽流等浮力相干结构所驱动的.

对流槽宽高比对长方体湍流热对流系统传热的影响

采用长方体对流槽,研究以水为流体介质的Rayleigh-Benard(RB)湍流热对流系统中,对流槽宽高比对系统湍流传热Nu-Ra关系的影响.改变对流槽的高度,使对流槽的宽高比分别为(Γ,Γ)=(1.00,0.30),(2.00,0.60),(4.00,1.20),(7.25,2.18),(14.29,4.29)和(20.84,6.25),实验参数Rayleigh数(Ra)和Prandtl数(Pr)的变化区间分别为5.0×10~5≤RA≤5.6×10^(10)和5.3≤Pr≤7.0.结果表明,与圆柱形对流槽中的情形不同,长方体对流槽中系统湍流传热的Nu-Ra关系几乎独立于系统对流槽的宽高比.

空间非均匀加热Rayleigh-Bénard湍流热对流的传热实验研究

研究了空间非均匀加热对Rayleigh-Bénard湍流热对流系统传热效率的影响。实验采用长方体对流槽,以水为流体介质。调节加热片的输入功率,改变系统注入能量的空间分布,对比非均匀加热与均匀加热下的湍流传热Nu-Ra关系。从实验结果来看,非均匀加热条件下Nu数的提升十分显著,湍流传热效率明显提高。

湍流热对流系统中粗糙壁面对流动结构的影响

自然界中存在的热对流现象大部分都具有粗糙边界,研究粗糙壁面RayleighBénard(RB)湍流热对流对理解湍流传热和流动结构具有重要的理论价值和实际意义.采用数值模拟的方法研究二维粗糙壁面对RB湍流热对流流动结构的影响,主要参数Rayleigh数(Ra)和Prandtl数(Pr)分别为10^(7)≤Ra≤10^(9)和Pr=0.7.计算中采用的粗糙元形状为等腰直角三角形.结果表明:粗糙元对大尺度环流的抑制作用与粗糙元对羽流的生成和二次涡的促进作用相互竞争,导致Reynolds数(Re)变化复杂,Ra数与Re数的标度律关系异常.

二维湍流热对流羽流运动路径对传热特性的影响

本文采用并行直接求解方法计算了0.7和4.3两个Pr数的二维湍流热对流,最高Ra=1013.高和极高Ra数的二维湍流热对流传热Nu数与反映羽流运动的大尺度环流路径随Ra数的变化具有很好的相关性,并具有两个Ra数转折点.第一转折点出现在大尺度环流由椭圆变为圆形,其周长CLSC随Ra数变化突然减小,第二转折点出现在大尺度环流周长CLSC最小值处,随后羽流变为旋涡团状而周长CLSC随Ra数增高而增大.Pr数较小对应的转折Ra数较低.传热Nu数的变化规律用Ra0.3补偿后发现, Nu的局部标度律在大尺度环流周长CLSC较小的情况下减小,出现偏离GL理论预测倍数线的现象.当Ra数大于第二转折点后,极高Ra数二维湍流热对流Nu数随Ra数的变化与GL理论预测倍数线符合良好,走向保持一致.

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.

湍流热对流调制及其机理的研究现状和展望

湍流热对流现象广泛存在于自然界和实际工程应用中,Rayleigh-Bénard(RB)系统是研究湍流热对流问题的经典模型。湍流传热的调制及其机理问题是湍流研究的重点。在经典RB系统中,上下板附近的温度边界层与系统传热关系密切,边界层内热湍流结构(羽流)的生成演化特性直接决定着系统传热效率。目前的调制策略主要通过改变上下板边界的几何型形状或改变温度边界条件来控制RB系统的对流强度,实现增强或抑制系统传热。本文主要从边界几何调制、边界温度时间调制和边界温度空间调制三个方面分别介绍和讨论了近年来有关湍流热对流调制及其机理研究方面的最新进展,并在最后提出了针对该方向的一些思考和展望。

基于互相关的光流测速法在湍流热对流中的应用

同时准确地测量大尺度流动结构和小尺度湍流统计特性对于理解湍流的能量传递规律有着重要意义。尽管粒子成像测速(PIV)技术得到了广泛的应用,但由于算法原理的要求以及商用相机分辨率的限制,PIV技术在同时获取大、小尺度流动特性方面并不实用。另一方面,近年来逐渐引起关注的光流测速法虽然可以实现单像素分辨率的大区域速度场测量,但其准确性通常受限于应用场景而难以保证。本文采用一种基于互相关的光流测速法来分析RayleighBénard对流的粒子图像,进而同时获得全局速度场和小尺度湍流特性。结果表明,这种方法不仅可以获得与PIV技术一致的全局场和流动强度,还能有效地解析出湍流耗散区的速度结构函数。进一步的,分别基于速度结构函数和定义直接计算而获得的能量耗散率不仅在数值大小上互相吻合,还与直接数值模拟的结果以及理论预测相一致。这些结果表明基于互相关的光流测速法在同时测量大尺度流动结构和小尺度统计特性上有很好的应用潜力。

粗糙壁面Rayleigh-Bénard湍流热对流研究进展

粗糙壁面湍流广泛存在于自然界和工程技术等诸多领域,对其深入研究具有重要的理论价值和现实意义,既可以帮助揭示湍流边界层中的结构生成和动力学过程,又与很多实际应用息息相关.本文主要关注RayleighBénard湍流热对流这一典型的封闭湍流系统,着重评述了近年来粗糙壁面热对流领域内的若干研究新进展,包括粗糙壁面如何增强/减弱系统的整体热输运效率、粗糙壁面是否有利于终极区间的实现等.最后,对今后的研究工作进行展望.粗糙壁面对湍流输运的影响需要更进一步对边界层精细测量研究,粗糙壁面所引发羽流等湍流结构的生成和分离,与大尺度环流的单涡流动结构和多涡流动结构演化发展研究相对较少,粗糙元几何结构导致对称性流动结构的影响研究仍需更深入的探讨.

旋转肥皂泡热对流能量耗散与边界层特性的数值模拟

将底部加热的半个肥皂泡作为一个新的热对流模型,结合了肥皂泡固有的球面与准二维特征,由此有助于理解行星大气流动中的复杂物理机制与热对流特性.本文使用直接数值模拟方法计算了旋转肥皂泡上的湍流热对流,研究了肥皂泡上的温度与黏性边界层以及拟热能和动能耗散规律.结合肥皂泡上温度场与速度场特征,分别根据温度脉动均方根最大值以及速度脉动边界处斜率延长线与最大值交点提出了肥皂泡上温度与黏性边界层的识别方法.研究发现,当肥皂泡从边界吸收能量时,拟热能耗散与动能耗散均集中在边界层中,肥皂泡上的温度边界层与黏性边界层厚度与瑞利数Ra存在明确的标度关系.相比经典Rayleigh-Bénrad对流(RB对流)模型,温度标度指数具有较为接近的结果,但速度标度指数存在一定的差异.此外,在混合区,均方根温度(T^(*))随纬度(θ)具有近似T^(*)~θ^(0.5)的标度关系,这与RB对流模型及其相应的理论预测一致.最后通过能量平衡方程发现,肥皂泡上拟热能内耗散率ε_(T)^(0)和动能内耗散率ε_(u)^(0)比拟热能外耗散率ε_(T)^(1)和动能外耗散率ε_(u)_(1)大1个量级,拟热能与动能的内部耗散率在边界层中具有支配地位,随着肥皂泡旋转速率的增加,热羽流难以输运到高纬度地区,进一步降低了拟热能与动能外耗散率的影响.

内置圆球阵列的Rayleigh-Benard热对流传热特性

通过实验研究了内置圆球对Rayleigh-Benard(RB)湍流热对流系统传热特性的影响。在对流槽内部加入有机玻璃圆球,通过改变圆球的直径和分布方式研究不同孔隙度Ф对RB系统传热的影响。Rayleigh数(Ra)从5×10^(7)变化到2×10^(9),Prandtl数(Pr)固定为5.5。结果表明,当Ra较小时,填充圆球对RB系统的传热几乎没有影响;当Ra较大时,RB系统的传热得到增强,最大增幅达16%。

不可压N-S方程的高效并行直接求解

对不可压N-S方程的数值计算,当计算规模增大时,不论是采用湍流模型计算还是直接数值模拟(Direct Numerical Simulation,DNS),大规模的并行计算都难以实现.该问题的关键是求解全场联立的压力泊松方程的并行计算技术.利用并行近似解求解方案,创建高效大规模并行计算的不可压N-S方程的直接求解方法.三维窄方腔热对流的DNS计算结果表明,该直接求解并行计算方法具有很好的并行效率,并且计算的三维湍流热对流的特性是合理的.