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密度极值流体Poiseuille-Rayleigh-Bénard对流稳定性及耗散结构研究

批准号:
52076017
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
李友荣
依托单位:
学科分类:
工程热力学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
李友荣

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
由于Poiseuille-Rayleigh-Bénard(P-R-B)对流耗散结构的多样性及演变过程的复杂性,P-R-B对流一直是研究非平衡条件下耗散结构的形成及转变的经典模型,也一直是国际学术界研究热点之一。与常规流体相比,密度极值流体P-R-B对流耗散结构更加丰富、演变规律也更加复杂,而目前这方面的研究还是一片空白。本项目以水平矩形流道内密度极值流体P-R-B对流为研究对象,采用稳定性分析、数值模拟和实验观测相结合的方法,确定P-R-B对流发生的临界条件,获取各种可能的P-R-B对流流型结构及其演变规律;确定各种流型结构稳定存在范围及失稳临界条件,揭示Poiseuille流动和R-B对流耦合机制;寻找调控P-R-B对流流型结构及其演变过程的有效方法,分析流型结构与传热性能间的协同关系。本项目对于发展复杂流体流动非平衡热动力学耗散结构理论、拓展P-R-B对流研究领域具有重要科学意义。
英文摘要
Due to the diversity of the dissipative structures and the complexity of the transition processes of the flow patterns in Poiseuille-Rayleigh-Bénard (P-R-B) convection, it has been a classic model for the study of the formation and transition of the dissipative structure under the nonequilibrium thermodynamics condition, and has been one of the hot spots in the international academic community. Compared with the conventional fluids, P-R-B convection of fluids with the density extremum has more abundant flow pattern structures, and it is more difficult to determine the transition process among flow patterns. However, the research in this field is still blank. Aiming at P-R-B convection of the density extreme fluids in the horizontal channel with rectangular cross-section, this project studies multiplicity of flow pattern structures and complexity of flow pattern transitions by combining the stability analysis, numerical simulation and experimental observation. First, the critical conditions of P-R-B convection appearance are determined and various possible flow patterns and their evolutions are explored very carefully. Then, the stable existence range and destabilizing critical conditions of various flow pattern structures are determined and the coupling mechanism of Poiseuille flow and R-B convection is revealed. Furthermore, the measures to regulate and control the flow pattern structure of P-R-B convection and its evolution process are found, and the synergistic relationship between flow pattern structure and heat transfer performance is analyzed. This project is of great scientific significance for the development of the non-equilibrium thermodynamic dissipative structure theory on the complex fluid flow and the extension of the research field of P-R-B convection.
由于Poiseuille流动和R-B对流相互耦合,从而使得P-R-B对流结构型态及其演变过程非常复杂,因此,P-R-B对流一直是研究非平衡条件下流动耗散结构的形成及其演变的经典模型。在已有研究中,都假定流体密度随温度升高而线性减小,然而,在实际生产过程和自然界中,总是存在一些具有密度极大值的流体。与常规流体相比,具有密度极值流体的P-R-B对流耗散结构更加丰富、演变规律也更加复杂。因此,本项目以水平矩形流道内密度极值流体P-R-B对流为研究对象开展系统研究,结果表明,(1)当Ra数较小时,流动为纯Poiseuille流动。若Ra数超过第一临界值,当Re较小时,Poiseuille流动将会失稳转变为横向滚胞流型,当Re较大时,转变为纵向滚胞流型。第一临界Ra数随Re数和密度倒置参数Θm的增加而增大。(2)当Ra数增大到第二临界值时,纵向滚胞将发生分裂,流动总动能减小。当流道宽高比B较大时,纵向滚胞将发生多次分裂。随着Θm的增加,纵向滚胞分裂的第二临界Ra数增大。随着Ra数进一步增大,纵向滚胞将失稳,转变为混合滚胞和波动的纵向滚胞。滚胞失稳的第三临界Ra数随Re数和Θm的增大而增加。(3)随着Θm增加,流动减弱。且密度倒置参数越大,密度倒置特性对流动的抑制作用越明显。(4)Re数和Θm的增大会抑制R-B对流的形成,导致R-B对流开始的入口段长度Lb增加。当B和Re数较大时,Θm对入口段长度Lb的影响更显著。充分发展的热入口长度Lf随Θm和Ra数的增大而减小,随Re数的增加而增长。(5)随着Θm增加,浮升力作用减弱,壁面局部Nu数减小。纵向滚胞平均Nu数沿主流方向先减小、后增大,当达到充分发展时将趋于恒定值。在充分发展区,纵向滚胞平均Nu数与Re数无关。(6)随着Ra数和B的增加,在充分发展区平均Nu数增大。随着Θm的增加,Nu数则减小。基于计算结果,拟合得到了密度极值流体P-R-B对流充分发展区平均Nu数传热关联式。上述研究结果对于发展复杂流体流动非平衡热动力学耗散结构理论、拓展P-R-B对流研究领域具有重要科学意义。
环形液池内表面蒸发与热毛细对流耦合机理研究
  • 批准号:
    51776022
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    58.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    李友荣
  • 依托单位:
具有密度极值流体Rayleigh-Bénard对流结构多样性研究
  • 批准号:
    51376199
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    90.0万元
  • 批准年份:
    2013
  • 负责人:
    李友荣
  • 依托单位:
环形双组分液池内耦合热-溶质毛细对流稳定性及耗散结构研究
  • 批准号:
    51176209
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万元
  • 批准年份:
    2011
  • 负责人:
    李友荣
  • 依托单位:
水平环缝内具有密度极值流体的自然对流换热研究
  • 批准号:
    50976129
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    36.0万元
  • 批准年份:
    2009
  • 负责人:
    李友荣
  • 依托单位:
国内基金
海外基金