Numerical investigation of buoyancy-induced flow in a sealed rapidly rotating disc cavity
Numerical investigation of buoyancy-induced flow in a sealed rapidly rotating disc cavity
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密封快速旋转圆盘腔内浮力引起流动的数值研究
DOI：
10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.118860
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发表时间：
2020
影响因子：
5.2
通讯作者：
Gao F
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Gao F
本文研究了旋转瑞利数Ra在107 - 109范围内的密封旋转空腔的浮力诱导流动。DNS的不可压缩模型与Boussinesq近似相比，LES的可压缩气体流动模型。可压缩解算器的解显示了Ra为0.286的护罩努塞尔数Nu标度，与校正的实验相关性和水平板之间重力热对流的Ra 2/7标度非常一致，但与不可压缩解算器给出的Nu = Ra 1/3标度不同。根据温度波动的均方根，可以估算出围带热边界层厚度，λ ε = 0.5 Nu-1。速度与Ω a β Δ T近似成比例。盘层状埃克曼层的行为被确认高达Ra= 10 - 9。一个埃克曼层擦洗效果，与粘性能量耗散，被认为是主要负责在Ra= 10 - 9，尽管相当小的埃克特数的两个求解器之间的Nu的差异。湍流动能收支的分析表明，占主导地位的恒定浮力生产的核心。所考虑问题的不可压缩公式的使用受到Boussinesq近似的适用范围的限制，其特征在于浮力参数β Δ T和忽略粘性加热和压缩性效应，其特征在于Eckert数Ec= Ω 2 rm 2/（Cp Δ T）。
This paper presents buoyancy-induced flow for a sealed rotating cavity with rotational Rayleigh number Ra in the range 10 7–10 9. DNS for an incompressible model with the Boussinesq approximation is compared with LES for a compressible gas flow model. The compressible solver’s solutions show the shroud Nusselt number Nu scales with Ra 0.286, in close agreement with the corrected experimental correlation and the Ra 2/7 scaling for gravitational heat convection between horizontal plates, but differs from the Nu∝ Ra 1/3 scaling given by the incompressible solver. The shroud thermal boundary layer thickness, based on the root mean square of the temperature fluctuation, can be estimated with λ∗= 0.5 Nu-1. Velocities scale approximately with Ω a β Δ T. Disc laminar Ekman layer behaviour is confirmed up to Ra= 10 9. An Ekman layer scrubbing effect, associated with the viscous energy dissipation, is considered to be mainly responsible for the difference in Nu between the two solvers at Ra= 10 9, in spite of rather small Eckert number. The analysis of the turbulent kinetic energy budget shows a dominant constant buoyancy production in the core. The use of the incompressible formulation for the considered problem is restricted by the applicable range of the Boussinesq approximation characterised by the buoyancy parameter β Δ T and neglect of viscous heating and compressibility effects characterised by the Eckert number Ec= Ω 2 r m 2/(C p Δ T).
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