ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗВИВАЮЩЕГОСЯ ЛАМИНАРНОГО ОСЕСИММЕТРИЧНОГО КОНВЕКТИВНОГО ФАКЕЛА

Автор: Иван Олегович Сбоев

Соавторы: К.А. Рыбкин, А.Н. Кондрашов, А.А. Старцев

Организация: Пермский государственный национальный исследовательский университет

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