普朗特数对对流斑图的分区和扰动成长模式的影响

该文采用二维流体力学基本方程组对普朗特数Pr(28)0.72流体对流进行数值模拟。取相对瑞利数r(28)4时,随着水平来流雷诺数的逐渐增大可获得行波、局部行波和水平流三种斑图。分析Pr(28)0.72流体的斑图分区情况,可以得出在水平来流雷诺数和相对瑞利数构成的平面上,他们都被水平来流上下临界雷诺数Re_u和Re_l划分为行波区间、局部行波区间和水平流区间;同时对三种流体的水平来流上下临界雷诺数Re_u和Re_l随相对瑞利数r的变化情况进行了观察,可发现他们都是随r的增大而增大的。在相对瑞利数r(28)3 8、和13时,研究普朗特数Pr对水平来流上下临界雷诺数Re_u和Re_l的影响,可知Re_u和Re_l随Pr增大而减小;且介于Re_u和Re_l之间的局部行波的范围随Pr增大而减小。对普朗特数Pr(28)6.99、0.72和0.0272的行波斑图及局部行波斑图的成长过程进行研究,发现了两种扰动成长模式,其中Pr(28)6.99流体的扰动是从腔体中部开始成长的;Pr(28)0.72和0.0272两种流体的扰动是从腔体右端区域内开始成长。     

周期性加热Poiseuille-Rayleigh-Benard流动中局部行波的研究

该文通过二维流体力学基本方程组的数值模拟,研究了水平来流和周期性加热对腔体内流体的运动和动力学特性的影响。当相对瑞利数r(28)9时,随着水平来流雷诺数Re逐渐增加,腔体内的流体发生三种不同的运动,即局部对流运动、局部行波运动和水平流运动。对局部行波运动的周期pT进行研究,局部行波运动的稳定周期随水平来流雷诺数的增大而减小,随相对瑞利数的减小而减小;相对瑞利数越小,稳定周期随水平来流雷诺数变化的增长率越大。局部行波运动的区间(35)Re依赖水平来流雷诺数的强度,当水平来流雷诺数Re大于(35)Re的上限时流体为水平流运动,而当水平来流雷诺数Re小于(35)Re的下限时流体为局部对流运动;对于不同的相对瑞利数r,局部行波运动的区间(35)Re是不同的。随着水平来流雷诺数增大,发现腔体内上游行波区域对流圈的减少速度比下游行波区域更快。     

底部加热的两板间水平流动进口段流动特性分析

采用二维流体力学基本方程组对普朗特数Pr=0.72的具有水平流动的底部加热两板之间的流动特性进行数值模拟。结果表明,对于给定相对瑞利数r,随着雷诺数Re的增加,底部加热的两板之间依次出现定常对流滚动,均匀行波对流滚动,具有水平流动进口段的局部行波对流滚动及水平流动。对于相对瑞利数r=3,在雷诺数9.0＜Re＜21.0范围内,系统是局部行波对流滚动,存在水平流动进口段。随着雷诺数增加,水平流动进口段长度增加。对于雷诺数Re=25.0,在相对瑞利数4＜r＜12范围内,两板之间是局部行波对流滚动,出现水平流动进口段。随着相对瑞利数增加,水平流动进口段长度减小。最后给出了进口段长度随雷诺数或相对瑞利数变化的经验式。     

Poiseuille-Rayleigh-Benard流动中的局部行波对流

Poiseuille-Rayleigh-Benard流动是研究非平衡对流的斑图(pattern)及非线性动力学特性的典型模型之一。本文通过流体力学基本方程的数值求解,研究了二维矩形腔体中水平来流和瑞利数对Poiseuille-Rayleigh-Benard流动中的局部行波斑图形成的影响。当水平来流强度为定值时,随着瑞利数的增加,能够依次出现有水平流动的传导状态,局部行波对流和充分发展的行波对流等3种斑图。如果瑞利数被固定,随着水平来流强度的增加,依次出现充分发展的行波对流,局部行波对流和有水平流动的传导状态等3种斑图。局部行波对流的存在宽度依赖于水平来流强度和瑞利数。并进一步讨论了局部行波斑图的动力学特性。     

具有通过流动的倾斜腔体的对流特性

为了研究通过流动强度与相对瑞利数r对对流斑图及其相关特征物理量的影响,在长高比Γ=20倾斜放置的矩形腔体中,设定倾斜角度为10°、普朗特数Pr=6. 99且均匀加热的条件下,对该流体进行二维数值模拟。结果表明:当通过流动与热作用共同作用,相对瑞利数一定,雷诺数Re对对流斑图作用明显,但对最大垂直流速wmax及努塞尔数Nu影响能力有限。当通过流动强度与热作用共同作用,雷诺数一定,相对瑞利数r对对流斑图结构、最大垂直流速wmax及努塞尔数Nu影响显著。     

分离比对行波对流缺陷特性的影响

该文通过流体力学方程的数值模拟,研究了分离比ψ(28)-0.2,-0.4和-0.6时混合流体行波对流中缺陷的结构和特性。结果发现,有缺陷的行波对流最大垂直流速和努塞尔数随着相对瑞利数r的增加而增加。随着r的不同,行波的传播方向可以不同,缺陷出现的位置基本位于腔体中部。缺陷出现的周期随着r的增加而增加。有缺陷的行波对流存在区间随着负分离比的增大而增大。有缺陷的行波对流存在的上下限也随着负分离比的增大而增大。对应的缺陷周期的上下限数值随着负分离比的增大而减小。当分离比ψ(28)-0.2时,有缺陷的行波对流缺陷周期随着相对瑞利数r增加而迅速增加,缺陷周期增加的梯度具有最大值。当分离比ψ(28)6-0.时,随着相对瑞利数r增加,有缺陷的行波对流缺陷周期缓慢增加,缺陷周期增加的梯度具有最小值。因此,分离比对缺陷出现周期有明显的影响。     

具有两个间歇性缺陷的行波对流

基于流体力学方程组,对长高比G=30腔体内分离比y=-0.6混合流体时具有的两个间歇性缺陷行波对流进行了数值模拟。结果发现,在具有缺陷的局部行波之后,系统出现了具有两个缺陷的行波对流,它稳定地存在于r∈[2.23,3.91]范围内。对于给定的相对瑞利数,第一和第二缺陷的出现位置是固定的;第一缺陷出现周期也是固定的。在缺陷存在的下限附近,第二缺陷的出现周期是不规则的。第一缺陷的出现位置距背离行波传播方向的端壁的距离l_1和第二缺陷的出现位置距背离行波传播方向的端壁的距离l_2随着相对瑞利数的增加而增加;第一缺陷的出现周期T_1和第二缺陷的出现周期T_2随着相对瑞利数的增加而增加。第二缺陷的出现距离l_2大于第一缺陷的出现距离l_1,第二缺陷的出现周期T_2大于第一缺陷的出现周期T_1。具有一个缺陷的行波对流存在于r∈[3.91,4.32]范围内。对于给定的相对瑞利数,缺陷的出现位置l和缺陷出现周期T是固定的。缺陷出现的位置l和周期T随着相对瑞利数的增加而增加。该文还讨论了无缺陷行波的特性和不同结构行波对流特性参数随着时间变化的不同规律。     

长高比对行波对流缺陷特性的影响

该文研究了长高比为Γ?12,20情况下行波对流中缺陷的特性。对于混合流体分离比ψ?-0.6,长高比Γ?20的情况,有缺陷的行波对流稳定存在于相对瑞利数r∈(2.224,3.6]的范围。在有缺陷的行波对流存在的上限附近,随着r的增大,缺陷发生的周期迅速增大。对于不同的分离比,对于ψ?-0.2的情况,Γ?12时有缺陷的行波存在的相对瑞利数范围比Γ?20时的范围小;对于ψ?-0.4的情况,Γ?12时有缺陷的行波存在的相对瑞利数范围与Γ?20时的范围相当,但存在区间的上下限前移较大;对于ψ?-0.6的情况,Γ?12时有缺陷的行波存在的相对瑞利数范围与Γ?20时的范围相当,但存在区间的上下限稍微前移。因此,长高比对有缺陷的行波有明显的影响。     

底部均匀加热的倾斜腔体中的对流特性

利用二维流体力学基本方程的数值模拟,探讨了普朗特数Pr=6.99时矩形腔体在一定倾斜角度下均匀加热后的对流特性,讨论了不同的控制参数对对流斑图及流速分布的影响。主要计算两种情况:控制相对瑞利数,改变腔体倾斜角度;控制腔体倾斜角度,改变相对瑞利数。结果表明:给定倾斜角度且角度较小时,随着相对瑞利数的增大,滚动圈个数逐渐增多,流速绝对值增大;给定相对瑞利数,随着倾斜角度的增大,滚动圈个数逐渐减少,流速绝对值减小。     

底部加热平面Poiseuille流中的局部行波结构

利用高精度紧致差分格式,模拟研究了物性参数对底部均匀加热平面Poiseuille流动系统中行波对流结构的影响.取与实验相同的参数条件下,获得的数据与实验结果吻合较好,验证了格式的有效性.当雷诺数为定值时,随着傅汝德数Fr的逐渐减小,流场中依次出现了传导状态、局部行波对流(LTW)状态和充分发展的行进波对流(TW)状态.LTW状态的存在受雷诺数和傅汝德数的共同影响,局部对流区域的宽度及对流涡卷数随着傅汝德数的增加而减小.此外,探讨了普朗特数对局部行波结构的影响,进一步给出了不同普朗特数下雷诺数和弗汝德数的倒数与产生涡旋的关系.分析表明:在给定雷诺数时,LTW状态发生的临界傅汝德数的倒数随着普朗特数Pr的增大而以指数形式减小;在Pr=2/3时,LTW状态存在的傅汝德数的范围为最小.     

水平进水口前临界淹没水深试验研究

旋涡是水工建筑物进水口前常见的水力现象,会给水工建筑物和水电设备带来严重的危害。消除旋涡最广泛采用的方法是保证进水口前的水深超过临界淹没水深。从实际工程应用计算考虑,利用水力模型试验,重点分析了弗劳德数Fr、雷诺数Re对临界淹没水深的影响,并由试验结果得到旋涡相对临界淹没水深H/D随弗劳德数Fr和雷诺数Re的变化规律。结果表明:临界淹没水深随着弗劳德数和雷诺数的增大而增大,并且与两者均有幂函数关系。综合弗劳德数Fr和雷诺数Re对H/D的影响规律,得到了相对临界淹没水深与弗劳德数Fr和雷诺数Re的定量关系式,关系式拟合度为0.863,可以满足工程实际计算要求。     

不同雷诺数下水平桩柱的水动力待征

本文介绍了均匀振荡流中光滑水平桩柱上水动力特征的试验研究.试验中,雷诺数Re=20000～260000(该区域为亚临界区与临界区),Kc=5～40.分析中,利用最小二乘法来确定Morison方程中的速度力系数C_(?)及惯性力系数C_M;还利用最大值法及均方根值法对合力系数C_F与升力系数C_L进行分析,所有的正向力与升力系数都作为Re及Kc数的函数给出,并且各系数相对于其平均值的均方差值也在图中示出.其主要研究成果如下:当Re≥80000时,所有的水动力系数(包括C_D、C_M,C_F与C_L),几乎与雷诺数Re无关,且各系数均随Kc数的逐渐增加而趋向于不同的常数;当Re<80000时,速度力系数C_D随Re数的增大而减小,而惯性力系数C_M随Re数的增大而增大.     

两种类型的摆动行波对流

通过流体力学基本方程的数值模拟,研究了摆动(Undulation)行波对流的动力学特性.当分离比ψ=-0.3时,随着r逐渐增加,出现了两种摆动行波对流斑图,即没有固定周期的摆动行波对流和周期性的摆动行波对流。没有固定周期的摆动行波对流,平均波数在k=2.88和k=3.14之间变化,当遇到摆动行波转向时,周期变化的对流振幅的周期破坏,出现对流振幅变化的波动和调整。周期性的摆动行波对流的摆动周期固定,空间平均波数不随时间变化,空间上的局部波数和对流振幅随着时间周期的变化。对不同分离比的研究表明,摆动行波对流的存在区间随分离比绝对值减小而减小,随r增加而减小。比较ψ=0.3的计算结果和其他分离比的计算结果,发现分离比影响着行波对流斑图的形成及它们之间的转化。     

倾角对倾斜腔体对流的影响

为了研究倾斜腔体中普朗特数Pr(28)0.0272的流体倾角对对流的影响,利用SIMPLE算法数值求解了流体力学方程组。结果说明,相对瑞利数r=6.0情况下,当倾角θ=10°时系统由最初的单圈型对流随着时间发展成密实的多圈型对流。当倾角θ=60°时系统由最初的单圈型对流随着时间发展成疏松的多圈型对流。对流稳定时间取决于最大垂直流速w_(max)的变化。对于不同的倾角,r=6.0时,密实的多圈型对流过渡到疏松的多圈型对流的分界点为q_c=30°。对应于上述两种斑图,特征物理量分为具有不同特性的两段,它的分界点为q_c=27°。因此,对于该文的流体,斑图的转变滞后于特征物理量的转变。在θ-r平面上,对流分为两个区域,q(27)q_c时系统是密实的多圈型对流,q(29)q_c时系统是疏松的多圈型对流。该文还建议了临界倾角q_c随着r变化的关系曲线。     

混合流体Rayleigh-Bénard对流的线性稳定性分析

采用扰动方法对混合流体的Rayleigh-Bénard对流进行了线性稳定性研究。基于模态分析,从流体力学扰动方程组出发,推导出了特征方程。在自由和固壁两类边界条件下,求解了特征方程,得到了对流发生的临界瑞利数,临界波数及临界频率;分析了临界瑞利数及临界频率对分离比及普朗特数的依赖关系。结果表明临界瑞利数及临界频率对分离比及普朗特数有较强的依赖关系。     

纳米流体Rayleigh-Benard自然对流形成及换热的数值模拟

为了更好地了解纳米流体Rayleigh-Benard(RB)自然对流的形成及换热,该文采用多相流模型,对矩形腔体内的流体进行数值模拟,得到纳米流体RB自然对流形成过程中的换热及纳米粒子体积份额、粒子种类、粒径和基液因素对换热的影响。结果表明:RB对流在形成过程中表现换热系数的非线性特性,它是重力、流体黏滞力和浮升力共同作用的结果。当瑞利数小于6×10~6时水的换热效果好,而当瑞利数大于6×10~6时纳米流体换热效果更好;纳米流体粒子体积份额增大,换热逐渐减弱;纳米粒子粒径小的换热效果好,而且金属纳米粒子比同元素金属氧化物纳米粒子换热效果更好。基液物性参数的综合比较结果是换热的衡量标准;同时对比了体积份额、粒径、基液和粒子种类对强制对流换热和自然对流换热的影响效果。     

横掠管束周期性充分发展通道内流动与换热的非线性特性

横掠管束模型抽象于水利工程中的绕流柱体群或换热器中的绕流管束。引用周期性边界条件将模型简化,通过数值模拟技术考察了不同雷诺数下的流场和温度场。经过比较发现随着Re数的增大,流动由稳态转变为出现较大的涡,接着涡变小,随后又变大这样的一个循环过程。这是由于随着Re数的增大,惯性力、粘性力与不断生成的微小漩涡三者的共同作用导致。换热过程与流动密切相关。此外,研究了监测点处速度随时间的变化趋势。结果表明:流动呈现出非线性特性,随着Re数的增大,数值解从稳态过渡到周期性振荡最后发展为混沌的状态。     

长腔体内混合流体行进波对流的高精度数值模拟

该文构造了含源项的对流-扩散方程的高精度紧致格式,并应用于求解描述混合流体行进波对流系统的控制方程.其中,对流项采用四阶精度的紧致格式离散,扩散项用四阶对称格式离散.首先对长高比为46腔体内的混合流体行进波对流系统进行验证性计算,得到了瞬态的对传波(counterpropagating wave)以及两种类型的调制行进波(modulated traveling wave).验证结果与其他前人的数值模拟结果非常吻合.该文计算得到了延伸行进波(extend traveling wave),在此基础上通过减小瑞利数,分析了局部行进波的稳定性对Rayleigh数r的关系,并确定了局部行进波的稳定范围为r=1.12～1.22.     

缺陷源S型周期移动的对传波

该文利用SIMPLE算法求解混合流体对流的流体力学方程组,研究了分离比ψ(28)-0.2及长高比Γ(28)12,20和40情况下缺陷源S型周期移动的对传波的动力学特性。结果发现,缺陷源S型周期移动的对传波存在的下限以下是有缺陷的行波,对传波存在的上限以上可以是不同的行波。缺陷源随着时间在腔体内作"s"型变化。随着相对瑞利数r的增加,缺陷源S型周期移动的对传波摆动周期变长,摆动振幅变小。对传波的存在区间,对传波存在区间的上限值,对传波摆动周期随着长高比Γ的增加而变大。Γ(28)12时,对传波的分支上没有出现缺陷结构;Γ(28)02时,对传波的半个周期内只有一个分支出现具有缺陷的行波;Γ(28)40时,对传波的半个周期内多个分支出现具有多个缺陷的行波。因此,随着Γ的增大,对传波分支上的缺陷增加,对流结构变得比较复杂。     

流向振荡圆柱绕流中的涡脱落模态分析

本文用有限体积法对平行于均匀来流方向受迫振荡的圆柱绕流问题进行了二维数值模拟。雷诺数选取Re=200、855等几种亚临界雷诺数情况。研究了不同振幅和振动频率下的流场结构、涡脱落模态和一些重要流动参数如升阻力系数、Strouhal数的变化关系。西文计算表明，流向振荡圆柱绕流中涡脱落方式可划分为对称与反对称两种形态，在反对称的涡脱落现象中又观察到了三种基本模态，相互竞争的各种模态间的共同作用对流动特征起决定性作用。同时计算结果还验证了在圆柱绕流实验中观察到的频率锁定现象。