具有non-OberbecK-Boussinesq效應(yīng)的自然對(duì)流的數(shù)值模擬研究.pdf

1、Non-Oberbeck-B oussinesq(NOB)效應(yīng)廣泛地存在于自然界和工業(yè)應(yīng)用中。NOB效應(yīng)可劃分為一類NOB效應(yīng)(NOB-Ⅰ)和二類NOB效應(yīng)(NOB-Ⅱ):前者來自流體物性參數(shù)的變化，表現(xiàn)為熱膨脹系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)、粘度系數(shù)等隨溫度的變化;后者指除物性參數(shù)隨溫度變化外，不可壓縮假設(shè)亦不再成立的情形。NOB效應(yīng)對(duì)傳熱和流動(dòng)特性均具有重要影響，因此近年來引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。截至目前，現(xiàn)有研究均限于關(guān)注Rayleig

2、h-Bénard湍流中的NOB-Ⅰ效應(yīng)的影響。本文則致力于研究NOB-Ⅱ效應(yīng)對(duì)熱對(duì)流的失穩(wěn)特性和非線性演化的影響，部分工作涉及對(duì)傳熱的影響。主要包括:
　　(1)研究了三維立方腔內(nèi)NOB-Ⅱ效應(yīng)對(duì)側(cè)加熱對(duì)流的影響。在103≤Ra≤106區(qū)間內(nèi)，重點(diǎn)研究了溫差參數(shù)對(duì)壁面平均Nusselt數(shù)（Nu），Reynolds數(shù)(Re)以及速度、溫度分布的影響。結(jié)果表明:NOB-Ⅱ效應(yīng)對(duì)Nu、Re的影響較小，基本可以忽略，但其對(duì)溫度和速度分布的

3、影響較大。隨著NOB-Ⅱ效應(yīng)的增強(qiáng)，溫度和速度分布整體向冷壁方向偏移。在參數(shù)區(qū)間107≤ Ra≤108內(nèi)，基于數(shù)值模擬研究了流動(dòng)二次失穩(wěn)過程，分析了相應(yīng)的失穩(wěn)機(jī)理。研究顯示，流動(dòng)的二次失穩(wěn)主要?dú)w因于展向行波的匯聚。匯聚形式分為兩類，同向匯聚和反向匯聚。前者會(huì)打破系統(tǒng)關(guān)于展向中間面的反射對(duì)稱性。
　　(2)研究了二維方腔內(nèi)NOB-Ⅱ效應(yīng)對(duì)Rayleigh-Bénard對(duì)流的影響。存在NOB-Ⅱ效應(yīng)時(shí)，流態(tài)P11不再隨Ra的變化而連續(xù)

4、存在，且在較大的Ra區(qū)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)了流動(dòng)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象;NOB-Ⅱ效應(yīng)對(duì)P12流態(tài)沒有定性影響。基于小馬赫數(shù)意義下的渦動(dòng)力學(xué)方程，詳細(xì)闡釋了具有NOB-Ⅱ效應(yīng)時(shí)流動(dòng)反轉(zhuǎn)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。NOB-Ⅱ效應(yīng)使浮力不再保持上下對(duì)稱，這種不對(duì)稱性打破了角渦、主渦之間的固有平衡，從而引發(fā)了角渦的增長(zhǎng)，產(chǎn)生流動(dòng)反轉(zhuǎn)。
　　(3)研究了三維方腔內(nèi)NOB-Ⅱ效應(yīng)對(duì)Rayleigh-Bénard對(duì)流的影響。在深度高度比為Γ=1/10，1/4，1/3和1/2條件下分