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倾斜加热腔体内水利工程对流结构研究

时间:2018-11-24 21:28来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇水利工程论文,水利工程和国民经济的其他部门也是紧密相关的。规划设计水利工程必须从全局出发,系统地、综合地进行分析研究,才能得到最为经济合理的优化方案。
本文是一篇水利工程论文,水利工程和国民经济的其他部门也是紧密相关的。规划设计水利工程必须从全局出发,系统地、综合地进行分析研究,才能得到最为经济合理的优化方案。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇水利工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 研究背景
倾斜加热对流是诸多对流问题的流体力学模型之一,具有流体力学基本方程组明确,操作简单,易于控制参数变量等优势,能够展现出许多流体力学中那些有趣丰富的线性及非线性力学特性。从被人发现到研究至今,我们自然生活中出现最多的还是热对流,它是三种主要热传导方式(热对流、直接传导和热辐射)之一[1],热对流因流体的运动发生方式分为自然对流和强制对流,自然对流是由流体仅受温度差的影响而产生运动,强制对流则是受外力的影响而发生流动。自然界中的许多现象都可以用热对流来解释,像以地球为模型,太阳辐射给地球表面进行加热,地球表面的气流受热后暖气流上升,大气中的热气流下降,由此循环形成的气旋、雷暴等自然现象则是小区域范围内的对流,当发生对流的范围扩大后,则会形成大气环流[2]。另外,海洋中因太阳和盐分双重影响而形成的热盐对流,地幔中以自身放射性元素衰败为加热体并且以地球板块为模型形成的对流,这些都是我们生活中常见的现象[3]。为了探索并解释这些现象,科学家们建立了许多经典的对流系统来研究这些有趣复杂的自然物理现象,Rayleigh-Benard 对流系统就是其中之一[4-7]。倾斜加热模型下产生的对流虽有其独有的特点,但仍属于 Rayleigh-Benard(RB)对流中的一员。RB 对流系统就其传统理论上来讲,以二维平面图形为例,就是在一个完整密闭的矩形腔体内,当它的上壁面处于恒温状态,给下壁面进行加热,左右壁面都是固定的腔体,此时上下壁面之间形成温度差。当温差足够大(下壁面受热部分的流体密度足够小,能够支撑热流体上升而与冷流体接触过程中能量不会完全耗尽)时,此时下壁面处热流体上升,上壁面处冷流体下降,两者之间就会形成规则滚动的斑图,这一现象称之有对流产生。RB 系统中的斑图是由大量的流体分子系统规律的运动中,在打破空间对称性的同时还将能量进行高效传递后所形成的图纹,从中可以得出,流体运动产生斑图主要是由于上下壁面之间的温度差,导致腔体中不同部位的流体产生不同的流速,这些流速又以一定的顺序产生流动,外部的参数条件没有破使流体分子进行统一的运动,由此可以得出 RB 对流中腔体内部的流体的非线性力学特性。
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1.2 研究意义
目前,非线性科学属于能够引起众多关注的世界性研究课题之一,历年来,大量杰出的科学家们对 RB 对流的研究从未停止,这不仅仅出于其本身有趣的现象引领着诸多学者的探索欲望,最根本的还是其本身所具有的理论价值和实际意义。就理论价值方面来说,为了解释我们感兴趣的诸多自然现象,学者们通过建立数学模型,利用各种方程来进行解释。以单一流体为例,对实验模拟中所用的公式主要采用布辛涅斯克(Boussinesq)假设,建立连续性方程、层流自然对流的动量与能量方程组来描述,然后求解方程组的特征值以此来分析对流特性。随着人们科研手段的增多和理论知识的增长,物理学、数值学、经典力学等促使我们对对流进行更加深入的研究。我们可以利用热传导方程组、流体力学基本知识和物质输运方程组对 RB 热对流运动做出更为精确的描述,RB 热对流模型还能够对对流的时空特性、稳定性、对流斑图的演变和非线性变化等动力学特性进行详细研究,由此可以更加准确的理解热对流的发生过程和发展机理[8]。随着科技的进步和计算机技术的迅猛发展,我们对对流的研究不再局限于利用流体力学基本方程组进行数值模拟计算,我们可以运用计算机技术编写软件,不仅大大增加了科研人员研究的效率,还可以得到普通实验中无法直观观察到的速度矢量、流速分布、压力场和温度场等随时空的演变特性,为深入研究 RB 对流创造了更为广阔的空间。
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2 倾斜腔体下均匀加热的对流结构及力学特性
 
2.1 温度场边界条件及初始值
从上个世纪开始,人们对对流的研究就从未停止过,人们对对流由简到复杂进行了大量的实验研究。从施加条件这一方面来说,在原始矩形腔体的基础上,改变腔体的长高比、增加水平来流、施加重力变调作用、选择实验流体的普朗特数、改变加热变化模式等附加条件,都是历来人们研究的方向;从腔体的布置方面来说,传统矩形腔体都是水平放置,前人也发散思维,对侧向放置的矩形腔体进行了相关研究[59],不仅研究了侧向腔体内流体的力学特性,还研究了腔体的边界层厚度等特性;从腔体的构造方面来说,不在局限于传统的矩形腔体,还对圆柱形等特殊形状的腔体进行相关研究[60-65],羽流、大比环流等由此发现。本文所做的就是在传统基础之上,从腔体放置方向进行研究。前人在对矩形腔体模型研究时的放置主要是水平和侧向放置两种形式,而以不同的倾斜角度放置后进行的研究偏少,本文就是以改变腔体的倾斜角度为创新点,主要研究目的是通过建立流体力学基本方程组,运用 Fluent 进行数值模拟,由此分析获得在传统实验中难以观察到的对流斑图、流速分布等对流结构及其力学特性。
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2.2 普朗特数 Pr=6.99 的对流特性
 
2.2.1 流线图的变化过程
将图 2-3、图 2-8、图 2-13 在腔体倾斜角度为 1°的条件下进行比较:三者温度场的走向,周期性都大体一致,只有疏密程度略有不同;流线图有所区别,三者形成的都是有多个对流圈组成的流线图,对流圈的个数越来越少,形状越来越规整,周期性表达越来越明显;速度矢量都是与自身的对流圈相对应,流体顺时针或逆时针流动。由此得出:在腔体倾斜角度较小的条件下,温度场和速度矢量大体都是相同的,与 Pr 数无关,而流线图的变化受 Pr 数的影响,Pr 数越小,流线图中的对流圈个数越少,对流圈的形状大小越一致,周期性越明显。将图 2-4、图 2-9、图 2-14 在腔体倾斜角度为 60°的条件下进行比较:温度场变化较为明显,图 2-4 温度场是整体曲线都是平滑流畅的,图 2-9 为靠近左右壁面光滑,中间部分出现了波动,有轻微的周期性显示,图 2-14 则是都是上下起伏,具有明显的周期性;流线图区别也比较大,图 2-4 内圈外圈都是一个封闭完整的对流圈,图 2-9 外圈为一个对流圈,内部出现多个对流圈,图 2-14 则是整体都有多个对流圈组成;三者的速度矢量图与他们的流线图一一对应。由此得出:Pr 数越小,温度场起伏越剧烈,波动形状越具有周期性;Pr 数越小,对流圈由内而外的个数越多。
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3 倾斜腔体下壁面周期性加热的对流结构及力学特性........19
3.1 温度场边界条件及初始值............19
3.2 普朗特数 Pr=6.99 的对流特性....19
3.3 普朗特数 Pr=0.72 的对流特性....22
3.4 普朗特数 Pr=0.0272 的对流特性..........25
3.5 在周期性加热条件下不同 Pr 数的流体的对流特性的比较........28
3.6 本章小结..........29
4 倾斜腔体下壁面局部加热的对流结构及力学特性............32
4.1 温度场边界条件及初始值............32
4.2 普朗特数 Pr=6.99 的对流特性.... 32
4.3 普朗特数 Pr=0.72 的对流特性.... 35
4.4 普朗特数 Pr=0.0272 的对流特性..........39
4.5 在局部加热条件下不同 Pr 数的流体的对流特性的比较............42
4.6 本章小结..........43
5 下壁面均匀加热条件下倾斜角度对对流斑图的影响........46
5.1 普朗特数(Pr)为 6.99 的流体倾斜角度对对流斑图的影响..........46
5.2 普朗特数(Pr)为 0.72 的流体倾斜角度对对流斑图的影响..........53
5.3 普朗特数(Pr)为 0.0272 的流体倾斜角度对对流斑图的影响......59
5.4 本章小结..........65
 
6 倾斜角度 90°时不同流体受相对瑞利数的影响
 
相对瑞利数一定时,不同普朗特数(Pr)的流体随着倾斜角度的增大,流体的力学特性会受到影响。倾斜角度一定时,不同普朗特数(Pr)的流体随着相对瑞利数的增大也会受到影响。对不同相对瑞利数和倾斜角度时的流体运动状态进行观察及分析其流体特性,发现当倾斜角度增大到 90°时,不同普朗特数(Pr)的流体受相对瑞利数的影响有其特点,流体不同,产生的流线图也不同。
 
6.1 普朗特数(Pr)为 6.99 的流体受相对瑞利数的影响
图 6-1 展示了在倾斜角度  =90°的情况下,流线图随着相对瑞利数 r 逐渐增大而发生变化的过程。流体一定时,流线图的变化主要受相对瑞利数和倾斜角度的影响,在图6-1 中,流体主要有一种形态:由一个封闭完整的对流圈组成,这一阶段为单圈阶段。从图中可以看出随着相对瑞利数 r 的增大,流线图的对流圈的个数不会改变,都是一个单圈,并且最外面一层的对流圈不发生任何改变,有所变化的是最里面的流线圈逐渐减小。由此可得:Pr=6.99 的流体在倾斜角度  =90°时,受相对瑞利数的影响较小,可以忽略不计。图 6-2 是对单圈流线图阶段的最大流速随时间的成长变化进行研究,选取倾斜角度  =90°,相对瑞利数分别为 r=2、25 的流线图进行最大流速分析。从图 6-2 中可以看出:当 r=2 时,流线图的最大流速在 t  40s范围内从 0 处开始以对数的增长趋势逐渐增大,一直到达最大值,在 40s   t  120s时间范围内,流速以极缓的速度逐渐减小,减小到t  120s之后,流速为一条平行于 X 轴的直线,不再随时间变化;当 r=25 时,从图中可以观察到与r=2最大速度曲线变化的形态较为相似,变化趋势都是从0开始先增大后减小,最后趋于稳定,但流线图的最大流速在 t  10s从 0 处开始以指数的增长趋势极速增大,一直到达最大值,在 10s   t  120s时间范围内,流速逐渐减小并且曲线切线斜率也逐渐减小,减小到 t  120s之后,流速为一条平行于 X 轴的直线,不再随时间变化。由图 6-2 可以得到,其他参数条件相同的情况下:相同的是,最大流速随着时间的变化都是从 0 开始增大,当到达一个稳定值(此时流体受下壁面加热发生的运动处于稳定的状态)后,流速均不再变化;不同的是,相对瑞利数越大,随时间变化的最大流速的最大值越大并且到达最大值所需要的时间越短,最大流速达到一个稳定值所消耗的时间越多。
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总结
 
本文主要是运用 Fluent 软件,对三种 Pr 数不同的流体(Pr=6.99,Pr=0.72,Pr=0.0272)进行数值模拟研究。通过研究三种流体的普朗特数、加热模式(下壁面均匀加热、下壁面周期性加热、下壁面局部加热)、矩形腔体的倾斜角度对流体运动的影响,可以得到以下的结论。流体在相对瑞利数 r  3,倾斜角度为 89 度条件下,流线图主要是随时间而变化。Pr=6.99 的流体所形成的流线图在 2s 内就能形成一个较为完整的对流圈,而 Pr=0.72 的流体形成的流线图在 0.6s 内能形成一个完整的对流圈,两者与最终形态相比差别甚微,Pr数较大的流线图的变化初期急速变化,后期在较长时间内变化完成。当 Pr 数较小(Pr=0.0272)时,发现流体形成的流线图在 2s 内形成一个完整的对流圈,随后逐渐变化,在 35s 处形成 9 个形态各不相同的对流圈,最后形成由 9 个大小形态一致的对流圈组成的流线图,并且可以观察到具有周期性。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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