СТРУКТУРА КОНВЕКТИВНОГО ТЕЧЕНИЯ ВБЛИЗИ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛА РАЗЛИЧНОЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ

Автор: Иван Олегович Сбоев

Соавторы: К.А. Рыбкин, А.Н. Кондрашов, М.М. Гончаров

Организация: Пермский государственный национальный исследовательский университет

В проведенном исследовании экспериментальными и численными методами изучен механизм развития теплового и гидродинамического пограничных слоев вблизи нагретых пластин различной форм и размеров. В частности, исследованы пространственная периодичность и временная эволюция локальных конвективных потоков в жидкости. Рассмотрены вопросы устойчивости пограничного слоя на этапе формирования конвективного факела.

Визуализация течения выполнялась при помощи флуоресцирующего красителя, в качестве которого использовался родамин. При появлении в полости конвективного течения красящее вещество поднималось вверх, позволяя наблюдать структуру потока. На рисунке справа изображены фотографии течений над нагревателем различной формы в плоскости лазерного ножа с длиной волны 532 нм.

Лабораторные исследования проводились лишь для качественного представления реального процесса развития конвективного течения. С целью обобщения результатов наблюдений и исследования количественных характеристик более сложных течений выполнялось численное моделирование в пакете COMSOL. Основной результат исследования заключался в разработке теоретический модели, которая представляет собой комбинацию гармонических функций и позволяет описать структуру пограничного слоя исходя из граничных условий задачи.

Решение обсуждаемых в данной работе вопросов поможет лучше представлять механизмы передачи тепла от нагретых тел различной формы и способы организации конвективного течения в системах с локализованными источниками тепловыделения [1-3]. Кроме того, полученные результаты найдут применение в области проектирования современных систем охлаждения электронных устройств и компонентов, а также обеспечить научно обоснованный выбор оптимальных параметров геометрических размеров теплообменных поверхностей и неизотермических технологических процессов [4-7].

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект 18-31-00165 мол_а).

1.Гибанов Н.С., Шеремет М.А. Влияние формы и размеров локального источника энергии на режимы конвективного теплопереноса в квадратной полости // Компьютерные исследования и моделирование. 2015. Т. 7 № 2. С. 271–280.

2.Kaminski E. Rise of volcanic plumes to the stratosphere aided by penetrative convection above large lava flows // Earth and Planetary Science Letters. 2011. Vol. 301. P. 171–178.

3.Cagney N. et al. Temperature and velocity measurements of a rising thermal plume // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2015. Vol. 16, no. 3. P. 579–599.

4.Lappa M. Some considerations about the symmetry and evolution of chaotic Rayleigh–Bénard convection: The flywheel mechanism and the “wind” of turbulence // Comptes Rendus Mécanique, 2011, Vol. 339, no. 9, P. 563–572.

5.Hattori T. et al. Prandtl number dependence and instability mechanism of the near-field flow in a planar thermal plume // J. Fluid Mech. 2013, Vol. 732, P. 105–127.

6.Keken P. E., Davaille A., Vatteville J. Dynamics of a laminar plume in a cavity: The influence of boundaries on the steady state stem structure // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2013. Vol. 14, no. 1. P. 158–178. .

7.Kondrashov A., Sboev I., Dunaev P. Evolution of convective plumes adjacent to localized heat sources of various shapes // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2016. Vol. 103. P. 298–304.