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%。

非傅里叶效应对Maxwell流体在垂直槽道中热对流不稳定性的影响

基于Maxwell流体在科学、工程和技术等各个领域的重要性,并且结合非傅里叶热传导效应在许多不同研究领域的广泛关注,文章研究了非傅里叶效应对Maxwell流体在垂直槽道中热对流不稳定性的影响.将传统傅里叶热传导模型加入一个包含热松弛时间的新瞬态项,得到了非傅里叶热传导方程.使用切比雪夫配置法数值求解了一个广义特征值问题,得到了时间增长率和中性稳定曲线随各参数的变化情况.结果表明,时间增长率会随着松弛时间参数Λ增加而增加.中性稳定曲线表明,在波数相对较小的范围内,松弛时间的影响几乎可以忽略.但是当波数较大时,松弛时间对热对流不稳定性的影响逐渐加剧.这表明Maxwell流体的弹性效应增强了垂直管道内的热对流不稳定性.对于傅里叶流体,中性稳定性曲线不会随着Prandtl数变化.另一方面,非傅里叶效应增强了热对流不稳定性,并且新的双曲型热传导方程使得中性稳定曲线产生了波动现象.进一步研究表明,这种波动会随着Prandtl数的增加而增强.当Prandtl数超过一定临界值时,中性稳定曲线同时出现稳态分支和振荡分支,而且在振荡分支中,不稳定性显著增强.

“热对流”实验创新

原实验不足之处在认识液体热对流现象的实验中,教材上的两个实验是使用酒精灯分别加热试管和烧杯里的水,需要的器材较多,而且需要安装调试铁架台和试管类,稳定性和安全性不高。此外,试管里的热对流现象不明显,导致学生无法很好地理解热对流的本质。在电茶壶的启发下,我引入了陶瓷电加热片,并设计了相应支架,组成了安全、稳定、高效、直观的电加热片热对流实验套件(设计图如图1)。

浅析铝合金门窗中的热对流解决方案

为了解决超宽隔热条带来隔热型材的中间腔体变大,导致铝合金门窗保温效果不佳的问题,本文通过介绍整窗的传热途径,即固体传导、热对流、热辐射的理论,同等条件下,热对流对于传热途径所占的比例,分析了热对流是传热的重要途径之一,容易被设计人员忽视的问题,提出了四种具体方案解决热对流的观点,得出了玻璃下方垫棉、隔热腔体的填充、主密封区域的填充、隔热条的几何形状变化能够有效提高铝合金门窗的隔热保温的结论。

基于热对流和微波效应的地铁站雨伞快干装置

针对当前我国地铁站内潮湿雨伞污染地面、沾湿衣物等问题,设计一种基于热对流和微波效应的雨伞快干装置。该装置利用热风干燥、微波效应和冷风相结合的方式,实现雨伞快干(约为12 s)。所设计的传送机构能够实现全自动快干,配合凹凸型湿伞放置箱,满足不同型号雨伞自由放置的需求,大大提高行人干燥湿伞的积极性。此外,底层温气能够使湿裤脚、湿鞋快干,二次回风和冷凝装置能够实现节电节水效果。

液态金属热对流典型流动结构实验研究

通过搭建长宽高比为1∶1∶2的实验方腔,系统性地研究低普朗特数(0.03)的镓铟锡合金在有/无磁场作用下所产生的热对流结构。实验中上下铜板的温差由2个恒温水浴来实现,通过在铜板上布置测温探头测量温度,在方腔侧壁布置超声波探头实现对液态金属内部速度分布的测量。实验获得了3种典型的流动结构,无磁场环境下液态金属的流动在空间上呈现大尺度环流,靠近冷热端液态金属的温度无序波动,且速度分布符合热湍流的基本特性,为流动结构Ⅰ。当施加水平磁场,磁场极大地抑制对流运动,出现稳定的单涡胞运动结构,即流动结构Ⅱ和振荡的双涡胞运动结构,即流动结构Ⅲ。随后通过对3个不同测量位置的速度分布进行详细分析,深入解析水平磁场存在下的这2种流动结构的典型特征。

两相湍流热对流中传热增强的实验研究

Rayleigh-Bénard(RB)湍流热对流是一个经典的流体力学模型,传统的RB热对流系统采用单一流体作为工作介质.然而在实际工业生产和大自然中,对流的工作介质往往是多成分多相(譬如气相与液相共存).本文进行了气液两相热对流系统的实验,研究了相变引起的全局体积变化以及热对流系统的传热规律.实验采用径高比Γ≡D/H=0.5的圆柱形对流槽,工作介质为去离子水与氟化液(HFE7000),其中氟化液在装置中的体积分数占比为Φ=0.86%.实验中,上下板的温差保持为30℃,控制参数范围是2.54×10^(9)<Ra<5.63×10^(9),底板温度35℃<T_(b)<48℃.我们发现,氟化液HFE7000在大气压下的沸点为Tcr<40℃,然而氟化液的体积在底板温度T_(b)<42.5℃之后就不再发生变化.全局传热分为3个区间,在区间Ⅰ内,即T_(b)<42.5℃,系统的传热效率Nu变化较小.在区间Ⅱ内,42.5℃<T_(b)<45℃,当氟化液达到最大汽化体积之后,Nu大幅提高,随着底板温度的增加,最大传热提高了43%.在区间Ⅲ内,T_(b)>45℃,Nu保持不变.我们发现这与气泡的整体运动距离相关.

液体SBS-PCM中泵浦光重复频率对热对流特性的影响(特邀)

受激布里渊散射相位共轭镜(SBS-PCM)因能实时补偿静态和动态波前畸变、提高光束质量,在激光领域受到广泛关注,但仍存在高功率泵浦下引发损伤和输出光束质量下降的问题。液体增益介质具有高增益、高抗损伤阈值和尺寸拓展性强的特点,目前是高能高功率激光领域最广泛应用的SBS介质,但随着注入功率的提升,热效应引发的液体介质热对流会导致反射Stokes光中出现波前畸变,降低了其光束质量补偿效果。文中发展了高功率泵浦下介质池内热对流的数值模型,定量分析了热对流强度随相互作用时间的变化规律,着重探讨了泵浦光重复频率对热对流强度分布的影响,并结合热对流强度解释了光斑畸变程度。研究结果表明:泵浦光注入初期,热对流强度在达到极值后小幅下降最后趋于稳定;泵浦光重复频率是影响热对流强度的重要因素,热对流强度与重复频率呈正相关;随着热对流强度的增强,光斑偏移程度逐渐增大。文中从液体介质流动性角度分析了泵浦光重复频率与介质热对流的关系,对完善光热效应模型提供了新的研究方向。

“热对流”实验改进与创新

一、原实验不足教材中“研究热在水中的传递”内容包含两个实验:把一小瓶红色热水放入冷水槽中,并观察现象;研究热在水中的传递。这两个实验使得学生认识到液体的热传递方式主要是热对流,但存在一些不足之处。

《热对流》教学实录与评析

《热对流》是五年级“热的传递”单元的第二课,属于物质科学领域内容。本课主要探究热在水和空气中的对流现象,及其在生产、生活中的应用。本课主要由以下活动组成:①探究热在水中的传递方式;②探究热在空气中的传递方式;③运用所学知识,解释生活中的热对流现象及其应用。基于学生已有生活经验和认知能力,教学采用了教师演示、建构模型、实验验证、交流分享等活动,由扶到放、由直观到抽象,培养学生的科学思维能力。

Rayleigh-Benard对流及其在工程中的应用

Rayleigh-Benard对流是日常生活中常见的一种热对流现象。本文在介绍Rayleigh-Benard对流的基础上讨论了工程中存在的一些Rayleigh-Benard对流以及Rayleigh-Benard对流原理在工程中的应用。

热对流成岩作用的基本特征与研究意义

介绍了热对流产生的条件与地质背景 ,指出火成侵入体、盐丘和活跃断层周围等温线陡倾斜场所易发生热对流成岩作用。综述了岩浆成因热对流的岩石学记录 ,包括热变质作用、突然升温—逐渐降温的自生矿物组合和相对高温的自生矿物类型 ,分析了自生伊利石的 K/Ar年龄在热对流成岩作用研究中的作用。阐述了热对流成岩作用对盆地动力学、砂岩储层和油气运移研究的意义。

板块绝对运动及地幔热对流

本文以板块绝对运动AM1-2模型为边界条件探讨了不同的瑞利数下地幔热对流模型.结果表明,瑞利数小于10000(529.41)时,地幔对流呈现以板块驱动图式,运动的极型场和环型场由板块运动激发,两种场占有差不多相同的功率.当瑞利数增加到接近或略超过最低临界值时(约1.5倍),对流呈现出复杂状态:1.板块运动速率小于下伏地幔对流速率;2.区域性的双层对流环出现;3.对流谱成分发生变化;4.环型场仅在地幔很浅的区域中起作用,而在地幔深部对流图式中影响很小.

西太平洋副热带高压下热对流降水结构特征的个例分析

利用热带测雨卫星的测雨雷达和红外辐射计的探测结果,对2003年8月2日15时(北京时)中国东南部副热带高压下发生的热对流降水结构特征、云和降水云之间的关系进行了分析研究.大气背景分析表明,500 hPa副热带高压中心附近的较强上升运动和850 hPa的水汽通量辐合为此次午后热对流降水云团的发生提供了动力和水汽条件.热带测雨卫星的测雨雷达探测结果表明,热对流降水云团的水平尺度多为30～40 km,平均垂直尺度均超过10 km,最高达17.5 km;云团的最大近地面雨强超过50 mm/h.热对流降水云团的平均降水廓线表明,其最大降水率出现在5 km的高度,这一高度比估计的环境大气0℃层高度低1 km.与'98.7.20'中尺度强降水的对流降水廓线比较表明,两者的最大降水率高度相同,但热对流降水云团更深厚;在4 km高度至近地面,热对流的降水率减少速度比'98.7.20'强对流降水的快,表明前者雨滴在下降过程中因气温高而发生强烈蒸发.对降水云团顶部特征与近地面雨强关系的分析结果表明,雨顶高较低时,云顶高度变化范围大;当雨顶越高时,云顶高度与雨顶高度越相近;平均而言,给定地面降水率,云顶高度比雨顶高度高出1～4 km;当近地面雨强越大,则云顶高度和雨顶高度越高、且越相近.结果还表明,非降水云面积约占86%,晴空面积仅占2%,而降雨云面积约为云面积的1/8.

一次热对流降水成因的分析和模拟

夏季受西太平洋副热带高压控制的中国大陆地区常发生热对流降水。文中首先利用TRMM卫星观测资料、地面自动站地表温度观测资料和NCEP资料分析了热对流降水的特征及其产生的背景条件;利用区域平均的水汽方程诊断了地表蒸发、水汽平流和水汽通量辐合项的贡献,分析了降水的水汽来源;进一步利用AREM区域数值预报模式,设计了4个敏感性试验,研究了陆气感热、潜热通量对降水的贡献。结果表明,在副热带高压控制的地区,白天强烈的非均匀地表感热加热可导致低层热空气块突破环境下沉气流而上升,周围空气补充形成辐合运动。低层空气的辐合上升既可引起水汽的汇聚,又可把低层的水汽输送到高层。同时非均匀陆面特征造成的非均匀感热和潜热通量的共同作用增强了大气的位势不稳定度,触发了对流,但感热通量对热对流降水的贡献比潜热通量略大。热对流降水的水汽除部分来自地表蒸发外,另一部分来自低层的水平通量辐合。定量计算表明二者对大气可降水量的贡献基本相当,而平流水汽的贡献很小。

周期加热的Rayleigh-Benard对流时空结构

通过二维流体力学基本方程组的数值模拟,研究了普朗特数Pr=6.99时矩形渠槽周期加热对Rayleigh-Benard对流时空结构的影响.当水平流动强度Re=0时,发现稳定的由周期加热引起的局部定常对流.当Re比较小时,对流滚动抑制水平流动,获得了由周期加热引起的局部行波对流.当水平流动强度比较大时,由于周期加热与水平流动相互作用,水平流动抑制部分对流滚动,导致对流区域上游附近出现传导区域,对流区域减小,从而形成一种新的局部行波对流结构.并进一步讨论了Rayleigh-Benard对流时空结构的动力学特性.

混合流体Rayleigh-Benard对流的多重稳定性现象

通过流体力学基本方程组的数值模拟,初步探讨了矩形腔体内具有Soret效应的混合流体Rayleigh-Benard对流系统中斑图(Pattern)选择的多重稳定性(Multistability)现象.包括有间歇性缺陷的行波和缺陷源水平运动的对传波(Counterpropagating wave)的多重稳定性现象,不同波数的摆动(Undulation)行波的多重稳定性现象,行波和摆动行波的多重稳定性现象等.对由沿着r增加或r减小方向计算引起的斑图转化过程的滞后(Hysteresis)现象也进行了分析.结果说明混合流体Rayleigh-Benard对流系统中的滞后现象和多重稳定性现象是存在的.

含水层热量输运中自然热对流和水-岩热交换作用的研究

本文对含水层热量输运过程中存在的自然热对流和水－岩热交换作用进行了深入研究，目的是为了弄清两种作用对热量输运的影响。首先针对普通水流方程和热量输运方程的局限性，给出了能够描述这两种作用的新的数学方程，并通过建立一个非线性三维含水层热量输运模型加以实现。然后利用上海第二承压含水层的群井储能试验资料，根据不同的条件进行计算。计算结果与实测数据的对比分析表明，自然热对流通常对含水层的热量输运有明显作用，定量研究时不应忽略；水－岩热交换作用持续时间短，对整个热量输运过程影响较小。

水平流动作用下的纯流体Rayleigh-Benard对流时空结构

通过二维流体力学基本方程组的数值模拟,研究了普朗特数Pr=1.0时矩形渠槽中水平流动作用下的纯流体Rayleigh-Benard对流时空结构的影响,并与Pr=6.99时的结果进行了比较。结果表明:当水平流动雷诺数Re=0时,定常对流的波数随着瑞利数的增加而变大;对于相对瑞利数r=3.0的情况,当Re<40时,获得了行波对流结构,当40≤Re≤75时,出现了局部行波对流结构;在局部行波对流存在的范围内,随着雷诺数的增加或瑞利数的减小,局部行波对流的存在宽度减小;当Pr从6.99减小到1.0时,局部行波对流的Re依赖范围将由9≤Re≤18变成40≤Re≤75。

方腔内热对流的高精度数值模拟

该文从二维方腔流动的涡流函数方程出发,建立了方腔内热对流的非定常数值计算模型。通过在空间上引入非均匀网格,提高壁面附近的分辨率;以及采用二阶守恒型的Arakawa格式处理非线性的对流项,既保证了多种物理量的守恒性,也同时提高了数值模拟的精度。数值计算表明,本文的计算格式与其它的同阶格式相比,具有更高的精度。