Экспериментальное исследование пространственно-временной структуры конвективной турбулентности в замкнутых объемах

• Автор: Васильев, Андрей Юрьевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Пермь
• Количество страниц: 117 с. : ил.

Оглавление
Введение
1 Турбулентная конвекция в замкнутых полостях
1.1 Тепловой поток
1.2 Крупномасштабная циркуляция
1.3 Мелкомасштабная конвективная турбулентность
1.4 Выводы по главе
2 Экспериментальная установка и система измерений
2.1 Экспериментальная установка
2.2 Температурные измерения
2.3 Система цифровых траесерных измерений скорости
3 Пространственно-временная структура крупномасштабной циркуляции в конвективной турбулентности
3.1 Режимы поведения крупномасштабной циркуляции
3.2 Спектральный анализ временного поведения низших пространственных мод
3.3 Собственное ортогональное разложение (POD анализ)
3.4 Выводы по главе
4 Статистические свойства мелкомасштабной турбулентно-

сти при конвекции в замкнутых прямоугольных полостях
4.1 Характеристики турбулентных пульсаций в ядре полости при различных режимах крупномасштабной циркуляции
4.2 Особенности турбулентных пульсаций в различных частях полости
4.3 Выводы по главе
5 Экспериментальная верификация моделей и пакетов программ для расчета турбулентных конвективных течений
5.1 Программы вычислительной гидродинамики и проблема их верификации
5.2 Конвекция в прямоугольных полостях как тест СРЮ кодов .
5.3 Экспериментальная верификация применимости двумерных и квазидву.мерных моделей для описания турбулентной конвекции в тонких слоях
5.4 Выводы по главе
6 Заключение
Литература
Введение
Актуальность темы. Конвективные течения играют важную роль во многих природных явлениях и технологических процессах, влияя, в частности, на формирование климата и погоды, на тепловые потери в солнечных коллекторах, на охлаждение электронного оборудования и ядерных реакторов и т.д. Процессы конвективного теплообмена в природных и технологических условиях происходят в условиях развитого турбулентного движения среды. Характерная особенность турбулентной тепловой конвекции в замкнутом объеме формирование крупномасштабных потоков, которые охватывают всю полость. Систематическое исследование крупномасштабного конвективного потока в замкнутых полостях началось в 80-е годы. В экспериментах было показано, что в вариациях крупномасштабной моды присутствуют очень низкие частоты, соответствующие колебаниям с временами, на два порядка превышающими время оборота жидкости в полости (Зимин, Фрик, 1988). Однако, отсутствие методов полевых измерений скорости и возможности регистрировать и запоминать огромные массивы данных для пространственно-временного анализа структуры потока не позволило дать надежную интерпретацию наблюдавшимся пространственно-временным спектрам. Другой интригующей особенностью крупномасштабной циркуляции является возможность спонтанных перебросов (инверсий), обнаруженных в различных природных и лабораторных системах. Систематические исследования таких перебросов в конвективной турбулентно-

тель структурной функции вплоть до шестого порядка хорошо ложится на зависимость степенного показателя от порядка структурной функции для сценария Обухова, т.е. эффект перемежаймости меньше, чем при небольшом перепаде температуры.
В таблице 1.2 представлены сведения о спектральных законах пульсаций скорости и температуры, которые наблюдались в экспериментальных исследованиях конвективной турбулентности в полостях различной геометрии.
1.4. Выводы по главе
• Эффективность теплопереноса существенно зависит от мелкомасштабной структуры потока как в ядре, так и в пограничных слоях
• Существенное влияние на эффективность теплопереноса в замкнутых полостях оказывает структура крупномасштабной циркуляции и наклон полости. Экспериментальные результаты показали, что перенос тепла становится эффективнее, когда крупномасштабная циркуляция слабая, а в потоке доминируют термики.
• На фоне развитой конвективной турбулентности в замкнутых полостях возникают крупномасштабные потоки, которые в частности, могут случайным образом менять направление циркуляции. Детальное исследование свойств крупномасштабной циркуляции было выполнено для цилиндрических полостей. Однако, на данный момент существует очень мало экспериментальных и численных исследований поведения крупномасштабной турбулентности в прямоугольных поло-