Pr=0.7的竖直恒温壁面的自然对流边界层不稳定性特征及共振机理研究

批准号:
11602215
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
18.0 万元
负责人:
赵永岭
依托单位:
学科分类:
A0901.湍流与流动稳定性
结题年份:
2019
批准年份:
2016
项目状态:
已结题
项目参与者:
袁新明、黄庠永、徐浩然、王超、曹鹏、杨晶晶
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中文摘要
前人应用线性稳定性分析揭示了产生于竖直加热壁面的自然对流边界层的部分不稳定性特征。申请人应用直接稳定性分析,通过完全求解含有扰动源项的控制方程,近一步揭示了普朗特数Pr=7、恒温壁面产生的自然对流边界层的多种不稳定性特征,如频谱过滤特性、共振特性等。基于申请人前期揭示的单一边界层的共振特性,该项目将创新性地构建并研究双边界层自主式共振条件下的不稳定性特征。该项目拟从三方面开展Pr=0.7的双自然对流边界层的自主式共振特征及其机理的研究:1、Pr=0.7的单一自然对流边界层不稳定性特征的研究;2、单一边界层非自主式共振特征及其机理的研究;3、双自然对流边界层自主式共振特征及其机理的研究。该项目先研究单一边界层的不稳定性特征,再创新性地研究双边界层相互作用时的不稳定性及自主式共振机理,为探索多边界层及复杂羽流控制提供新的方法和理论依据。
英文摘要
Researchers using linear stability analyses have revealed instability characteristics of natural convection boundary layers adjacent to a heated vertical surface. A recent direct stability analysis conducted by the applicant of this project, which solved full governing equations with disturbance function, revealed the resonance characteristics of natural convection boundary layers at Pr=7 induced by an isothermal surface, such as the frequency filtering effect and the resonance characteristics. On the basis of these resonance characteristics of a single boundary layer, the present project aims to create and study the instability characteristics of the self-induced resonance of double natural convection boundary layers. The present project plans to study the characteristics and mechanism of the self-induced resonance of double natural convection boundary layers via three stages. Firstly, the instability characteristics of a single natural convection boundary layer of Pr=0.7 will be studied. Secondly, the characteristics and mechanism of the numerically-induced resonance of the single boundary layer will be examined. Thirdly, the characteristics and mechanism of the self-induced resonance of double natural convection boundary layers will be investigated. This project starts with the instability characteristics of a single boundary layer, and then the project extends to the instability and resonance characteristics of two interacting boundary layers, which provides a new approach and theoretical basis for the control of multiple boundary layers and complex plumes.
自然对流换热作为一种常见的换热方式,其换热机理还未得到完全揭示。对自然对流的流动机制与本质属性的深入研究将会开启流体力学与传热学相结合的新领域的发展,为未来新型的散热模式开辟启发性新思路,同时也为其在实际工程应用中的推广提供了理论支持。.本项研究利用了 CFD 模拟平台建立了等温竖直壁面自然对流边界层的数值模型,并在直接数值模拟(DNS)框架下,通过稳定性分析,研究了空气(Pr = 0.7)为工作介质的自然对流边界层的对流不稳定性。为了揭示热边界层对流不稳定性的时空演化规律,首先在自然对流边界层的边界条件中引入了微小振幅的随机模式数值扰动。通过对边界层内获得流向分布的温度时间序列进行傅里叶变换,从而得到了边界层内功率谱的流向演变结果,结果表明全频谱扰动(即白噪声)大部分在经过起始的上游边界层时便立即衰减。在靠近竖直壁面前缘的上游部分,边界层内的低频带最初在整个频带内是较为明显的,但随着边界层的不稳定流动向下游传播,低频带在空间上逐渐衰减。相比之下,在边界层向下游发展的过程中,高频带却逐渐凸显出来并取代低频率带成为了热边界层过渡区域中的主导频率带。为了进一步地了解边界层发展过程中保存下来的高频带的性质,在等温竖直壁面前缘附近的边界层内人为地引入了各种频率的单模扰动。研究发现,具有高频带内峰值频率的单模扰动的引入会激发热边界层的最大响应,这表明随机模式数值扰动研究获得的峰值频率实际上就是热边界层的特征频率或共振频率。通过对层流-湍流过渡区内的一系列瑞利数的研究,揭示了特征频率对 Ra 依赖性关系式的无量纲形式为 fc = 0.07Ra2/3。单模数值扰动研究也揭示了对流不稳定波的传播速度,数据结果表明了它比热边界层的对流流动速度要大,同时证明了自然对流 Ra 越小,两种传播速度之间的差异就越大。本文另外还推导出了对流不稳定波动传播速度的半解析尺度,可以表示为 csc ~ Ra1/2 y 1/2Pr(其中 y表示边界层的流向位置),该式提供了一种可用于热边界层控制的预测关系。
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Scaling laws for the transient convective flow in a differentially and linearly heated rectangular cavity at Pr > 1
Pr > 1 时差动线性加热矩形腔内瞬态对流的标度定律
DOI:10.1063/1.5087907
发表时间:2019-04
期刊:Physics of Fluids
影响因子:4.6
作者:Liu Yang;Bian Yongning;Zhao Yongling;Zhang Shuaikun;Suo Qinghui
通讯作者:Suo Qinghui
DOI:10.1063/1.5115073
发表时间:2019-10
期刊:Physics of Fluids
影响因子:4.6
作者:Yongling Zhao;Pengpeng Zhao;Yang liu;Yin Xu;Juan F. Torres
通讯作者:Juan F. Torres
Enhancing the flow and heat transfer in a convective cavity using symmetrical and adiabatic twin fins
使用对称和绝热双翅片增强对流腔中的流动和传热
DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.118447
发表时间:2019-10-01
期刊:INTERNATIONAL JOURNAL OF HEAT AND MASS TRANSFER
影响因子:5.2
作者:Liu, Yang;Zhang, Shuaikun;Zhao, Yongling
通讯作者:Zhao, Yongling
DOI:--
发表时间:2019-12
期刊:Results in Engineering
影响因子:5
作者:Ersong Chen;Xiaoquan Wu;Yongling Zhao;Eric Hu
通讯作者:Eric Hu
Numerical simulation of aqueous ammonia-based CO2 absorption in a sprayer tower: An integrated model combining gas-liquid hydrodynamics and chemistry
喷雾塔中氨水 CO2 吸收的数值模拟:气液流体动力学和化学相结合的集成模型
DOI:10.1016/j.apenergy.2017.11.054
发表时间:2018-02
期刊:Applied Energy
影响因子:11.2
作者:Xu Yin;Jin Baosheng;Zhao Yongling;Hu Eric J.;Chen Xiaole;Li Xiaochuan
通讯作者:Li Xiaochuan
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