Flow structure and heat transport in low Prandtl-number vertical convection
低普朗特数垂直对流中的流动结构和传热
基本信息
- 批准号:437046649
- 负责人:
- 金额:--
- 依托单位:
- 依托单位国家:德国
- 项目类别:Research Grants
- 财政年份:2019
- 资助国家:德国
- 起止时间:2018-12-31 至 2022-12-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
With joint efforts of the Dresden group (T. Vogt, experimental studies) and the Göttingen group (O. Shishkina, theoretical studies) we are aimed to make a significant progressin understanding of vertical thermal convection in very-low-Prandtl number fluids at large Rayleigh numbers. This type of convection has a great significance for crystal growth processes, the solidification of metal ingots and the application of liquid metals in high-temperature heat exchangers or receivers of concentrated solar power stations and is relevant in convective processes in planetary cores and stellar interiors.Within the complementary experimental and theoretical study, we will mutually verify the Dresden measurements in liquid gallium-indium-tin (GaInSn, Pr ca. 0.03) and the Göttingen Direct Numerical Simulations (DNS) for Prandtl number Pr = 0.03 for intermediate Rayleigh numbers Ra. For higher Rayleigh numbers (Ra at least 2 times 10^9), the Dresden experiments will provide information about the flow fields in form of a certain number of measured linear velocity profiles and the statistical information about the scaling relations with the Rayleigh number Ra of the global heat transport and momentum transport in the system, which are represented, respectively, by the Nusselt number Nu and Reynolds number Re. To attain statistical information in the DNS for very large Ra at such extremely small Pr is difficult due to the necessity to resolve the Kolmogorov microscales on very fine computational meshes. On the other hand, the Göttingen DNS will provide complete information on the velocity and temperature spatial distributions and related flow field characteristics, for similar parameter range as in the experiment. Finally, in Göttingen, the earlier developed boundary-layer model and scaling model for the mean heat and momentum transport in laminar vertical convection will be extended to the turbulent case.
在德累斯顿集团(T.沃格特,实验研究)和哥廷根组(O. Shishkina,理论研究),我们的目的是在理解很低普朗特数流体在大瑞利数的垂直热对流的重大进展。这种类型的对流对于晶体生长过程、金属锭的凝固以及液态金属在高温热交换器或聚光太阳能发电站的接收器中的应用具有重要意义,并且与行星核心和恒星内部的对流过程相关。在互补的实验和理论研究中,我们将相互验证液态镓铟锡(GaInSn,Pr ca. 0.03)和哥廷根直接数值模拟(DNS)的普朗特数Pr = 0.03的中间瑞利数Ra。对于较高的瑞利数(Ra至少为2 × 10^9),德累斯顿实验将以一定数量的测得的线速度剖面的形式提供流场信息,并提供关于系统中整体热输运和动量输运与瑞利数Ra的标度关系的统计信息,它们分别由努塞尔数Nu和雷诺数Re表示。要获得非常大的Ra在这样的极小Pr的DNS中的统计信息是困难的,由于需要解决非常精细的计算网格上的柯尔莫哥洛夫微尺度。另一方面,哥廷根DNS将提供有关速度和温度空间分布以及相关流场特性的完整信息,其参数范围与实验中相似。最后,在哥廷根,层流垂直对流中平均热量和动量输运的早期发展的边界层模型和标度模型将被推广到湍流情况。
项目成果
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