• Home
  • Tags: Вычислительная гидродинамика

СТРУКТУРА КОНВЕКТИВНОГО ТЕЧЕНИЯ ВБЛИЗИ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛА РАЗЛИЧНОЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ

Пермский государственный национальный исследовательский университет

СТРУКТУРА КОНВЕКТИВНОГО ТЕЧЕНИЯ ВБЛИЗИ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛА РАЗЛИЧНОЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ

 

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. 563572.

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. 14no. 1. P. 158178. .

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. 

 

 

 

 

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗВИВАЮЩЕГОСЯ ЛАМИНАРНОГО ОСЕСИММЕТРИЧНОГО КОНВЕКТИВНОГО ФАКЕЛА

Пермский государственный национальный исследовательский университет

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗВИВАЮЩЕГОСЯ ЛАМИНАРНОГО ОСЕСИММЕТРИЧНОГО КОНВЕКТИВНОГО ФАКЕЛА

В ходе работы исследованы характеристики стационарного конвективного течения жидкости в цилиндрической полости, вызванного локализованным подогревом нижней границы. Опыты проводились с цилиндрическим слоем, у которого соотношение высоты к диаметру составляет H/D = 1 и 3 (рисунок). Высота рабочего слоя выбиралась равной 40 мм. Снизу полость ограничивалась массивом из оргстекла толщиной 25 мм, а сверху – алюминиевой пластиной толщиной 7 мм, либо оставалась открытой. С боковых сторон слой жидкости окружался трубкой из оргстекла с толщиной стенок 3 мм. Прозрачность боковой границы позволила исследовать структуру конвективных движений методом PIV. Для этого в рабочую полость, заполненную дистиллированной водой (0.97 г/см3), вносились светоотражающие частицы (1.05 г/см3), а при помощи вертикального лазерного ножа с длиной волны 532 нм вырезалась плоскость в центре слоя. Подогрев выполнялся за счет медного нагревателя диаметром d = 10 мм, расположенного в центре нижнего основания. С внутренней стороны медный теплообменник приводился в контакт с резистором. Для измерения температуры нагревателя ΔT1 внутри источника располагался спай дифференциальной термопары. Интенсивность подогрева поддерживалась постоянной за счет регуляции мощности тока, проходящего через резистор.

 

 

Имеющиеся результаты в виде термограмм ΔT2(t), зарегистрированных второй термопарой на высоте h = 37 мм над источником тепла, позволяют судить о длительности распространения теплового возмущения после включения источника тепла. Такой подход позволил исследовать зависимость времени достижения всплывающим конвективным факелом от степени подогрева. Однако существенное ограничение результатов этих исследований заключается в том, что, используя лишь сигнал термопары, нельзя получить представление о распространении факела раньше, чем он достигнет датчика температуры. Поэтому в ходе проведенного исследования уточнялась предлагаемая модель для скорости распространения конвективного факела [1]. Для этого применялась визуализация течения, которая позволила оценить продолжительность формирования конвективного течения и получить поправку для скорости распространения конвективной струи. Вместе с этим были исследованы характеристики установившегося течения при различных значениях управляющего параметра, в качестве которого использовалось число Рэлея Ra, а также для полостей с разным аспектным соотношением и граничными условиями на верхней стенке [2]. Кроме этого, на основе известной модели эволюции конвективного факела предприняты попытки обобщить теорию на случай течения в периодически изменяющемся инерционном поле.

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

 

1.Бабушкин И.А. и др. Развитие теплового плюма в узком вертикальном слое // Вестник ТГУ. Математика и механика. 2015. Т. 2, № 34. С. 41–52

2.Aminossadat S.M., Ghasemi B. A numerical study of mixed convection in a horizontal channel with a discrete heat source in an open cavity // European Journal of Mechanics - B/Fluids. 2009. Vol. 28, no. 4, P. 590–598