長方體腔內(nèi)納米流體Rayleigh-Benard對流數(shù)值模擬研究.pdf

1、大氣、海洋等許多自然現(xiàn)象中流體運動都是由溫度梯度產(chǎn)生的浮力引起的，Rayleigh-Benard對流是研究這類現(xiàn)象的經(jīng)典模型之一。與普通的純流體一樣，納米流體在浮升力作用下，也會發(fā)生Rayleigh-Benard對流。然而，目前對納米流體Rayleigh-Benard對流研究還很少，所以，研究納米流體Rayleigh-Benard對流不穩(wěn)定性以及流動和換熱特性，確定流動型式及其轉(zhuǎn)變的臨界條件，分析各種流型之間轉(zhuǎn)變的物理機制，不僅可以豐富

2、Rayleigh-Benard對流理論，而且可以為電子元件冷卻、相變蓄冷、空調(diào)技術(shù)等工程領(lǐng)域提供理論支持，因此，具有重要的理論意義和實用價值。
　　 本文建立了長方體腔內(nèi)納米流體Rayleigh-Benard對流的物理模型和數(shù)學(xué)模型，并采用有限容積法進行了系統(tǒng)的三維數(shù)值模擬，得到了長方體腔內(nèi)Rayleigh-Benard對流的溫度場和速度場，分析了腔體尺寸、體積份額、初始條件和Rayleigh數(shù)等對Rayleigh-Benard

3、對流的影響，弄清了穩(wěn)態(tài)流型及其轉(zhuǎn)化、分岔結(jié)構(gòu)及其特點，并確定了分岔的臨界條件。
　　 結(jié)果表明，(1)在穩(wěn)態(tài)區(qū)域，流型有維持其自身穩(wěn)定的趨勢，以穩(wěn)態(tài)解得到的流型穩(wěn)定存在的Rayleigh數(shù)范圍較以導(dǎo)熱態(tài)得到的要寬，流型的轉(zhuǎn)變往往伴隨著壁面Nusselt的突變。(2)加入納米顆粒后，封閉腔內(nèi)Rayleigh-Benard對流發(fā)生的臨界Rayleigh數(shù)隨體積份額的增大而增大，隨寬高比和長高比的增大而減小。(3)對流發(fā)生后，底部壁面

4、平均Nusselt數(shù)隨體積份額的增大而增加，腔體內(nèi)流動強度隨體積份額的增大而減小，周期性振蕩的頻率隨體積份額的增大而減小，納米顆粒的加入使得系統(tǒng)表現(xiàn)出更強的穩(wěn)定性。(4)體積份額和腔體尺寸對分岔結(jié)構(gòu)也有明顯影響，分岔的臨界Rayleigh數(shù)隨體積份額的增大而增大，各種流態(tài)存在的Rayleigh數(shù)范圍隨腔體尺寸的增大而變窄。(5)不同初始條件下發(fā)生Hopf分岔的臨界Rayleigh數(shù)差異很大，在周期性流動區(qū)域，振蕩模式的不同會導(dǎo)致流動和傳

5、熱的差異，頻率和壁面平均Nusselt隨振蕩模式的變化而變化。(6)無論是純流體還是納米流體，流場都是由穩(wěn)態(tài)經(jīng)過Hopf分岔進入周期性振蕩區(qū)域。在計算范圍內(nèi)，一共觀察到四種分岔結(jié)構(gòu)：穩(wěn)態(tài)-單倍周期振蕩-混沌、穩(wěn)態(tài)-周期性振蕩-穩(wěn)態(tài)-周期性振蕩-混沌、穩(wěn)態(tài)-周期性振蕩-倍周期振蕩-周期性振蕩-混沌和穩(wěn)態(tài)-周期性振蕩-倍周期振蕩-混沌。在某些腔體尺寸、體積份額和初始條件下不會觀察到倍周期振蕩區(qū)域，流動直接由單倍周期流動區(qū)域進入了混沌流動區(qū)域