径深比为2的圆柱腔内具有正浮力比的双组分溶液Rayleigh-Bénard对流三维数值模拟

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在温度梯度和浓度梯度共同作用下的双扩散对流系统内会出现多种稳定的流动结构,对于这些稳定流动结构的形成和发展规律以及系统分岔结构的研究,有助于了解多种自然现象,如海洋洋流的形成、受污染空气的流动等,同时也可为晶体制备、化学气体沉积与干燥等工业生产过程的控制与改进提供理论依据。本文采用有限容积法对径深比为2的封闭圆柱腔中,垂直温度梯度和浓度梯度作用下的双组分溶液Rayleigh-Bénard对流进行了三维数值模拟,分析了质量分数为10%的异丙醇水溶液在不同的浮力比条件下流动型态的多样性、分岔结构以及各种稳定流型的演变,确定了各种流型的稳定存在范围。结果表明,(1)在双组分溶液Rayleigh-Bénard对流中,由于施加了与温度梯度作用方向相同的浓度梯度,使得系统更加容易从导热态失稳而产生对流运动。对流运动产生的临界Rayleigh (Ra)数随着浮力比的增大而减小。(2)在三个不同的浮力比条件下,均发现多种稳态流型在相同Ra数下共存的现象。随着浮力比N的增加,系统出现的稳态流型逐渐减少,在纯流体中比较常见的稳态二涡卷、三涡卷和四涡卷等流型逐渐消失,并出现了一些混合流体中特有的稳定流型。(3)各种稳态流动结构的形成以及演变除了受到系统参数的影响外,还受到初始条件以及流型演变历史的影响,而且,在稳定流型的转变过程中,也会出现滞后现象。(4)对于浮力比N=0.5和N=1的两种情况,由于浓度梯度的作用,系统在失稳产生对流运动之后会先经历一段非稳态流动,然后才进入稳定对流状态。当一种稳定流型随着Ra数变化转变为其他几种不同的流型时,在转变的不同流型之间的临界点附近会出现振荡现象,这个振荡的Ra数范围不仅受到流型本身的影响,还受到流型所经历过的演变历史的影响。在N=0的情况下则未发现这种现象。(5)在N=0的条件下,随着Ra数的变化每一种稳定流型都会转变为多种不同的稳定流型,但随着浮力比的增加,每一种稳定流型随着Ra数变化时所演变出的流型数量逐渐减少。N=1时,单环型流型以及四幅流流型在稳定范围内几乎不会发生变化。(6)浮力比N越大,底部壁面平均Nusselt数越大,即传热性能增强。
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