Экспериментальное исследование тепловой конвекции в горизонтальном слое в переменном поле тяжести

• Автор: Заварыкин, Михаил Павлович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Пермь
• Количество страниц: 129 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ТЕПЛОВАЯ КОНВЕКЦИЯ В МОДУЛИРОВАННОМ ПОЛЕ МАССОВЫХ СИЛ
1.1. Критерии для определения областей низких, высоких и резонансных частот модуляциипараметра
1.2. Параметрическое возбуждение конвекции
1.3. Конвективная устойчивость при высокочастотной модуляции параметра
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА И АППАРАТУРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНВЕКЦИИ В ПЕРЕМЕННОМ ПОЛЕ ТЯЖЕСТИ
2.1. Выбор параметров экспериментальной установки
2.2. Установка и методика проведения экспериментов
3. УСТОЙЧИВОСТЬ МЕХАНИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ И НАДКРИТИЧЕСКИЕ ДВИЖЕНИЕЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗБУЖДЕНИИ КОНВЕКЦИИ
3.1. Параметрическая конвекция в нагреваемом сверху горизонтальном слое жидкости
3.2. Влияние концентрации светорассеивающих частиц алюминиевой пудры на конвективную устойчивость
4. ВИБРОКОНВЕКТИВНОЕ ДВИЖЕНИЕ В ГОРИЗОНТАЛЬНОМ
СЛОЕ ЖИДКОСТИ ПРИ ПОДОГРЕВЕ СНИЗУ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
В неоднородных по плотности газах или жидкостях, находящихся в статическом поле тяжести, при определенных условиях возникает конвективное движение. Конвекция является одним из самых распространенных видов течений газов и жидкостей в природе и играет немаловажную роль в разнообразных технических устройствах. Этим объясняется постоянный интерес к проблеме возникновения конвекции и устойчивости конвективных течений. К настоящему времени исследования конвекции в статическом внешнем силовом поле и при стационарных условиях подогрева выполнены тщательно и для большого круга задач. Обзор этих исследований можно найти, например, в [1 - 6]. В то же время, существует большой круг прикладных задач, для решения которых требуется исследование гидродинамической устойчивости и характера течений в системах с пространственной неоднородностью плотности при нестационарных внешних условиях, в частности, при периодическом изменении массовой силы [7]. По характеру неоднородности такие задачи можно условно разделить на две группы. К первой группе отнесем те задачи, в которых неоднородность плотности вызвана, например, градиентом концентрации, наличием свободной поверхности или поверхности раздела, наличием включений, отличных по плотности от основного массива, и т.п. Временная модуляция массовой силы в этом случае возникает из-за движения полости с жидкостью с переменным ускорением. Такого рода задачи исследуются давно и успешно. Примерами могут служить параметрическое возбуждение колебаний жидкости в

сообщающихся сосудах [8], генерация внутренних волн [9] и периодических структур на свободной поверхности жидкости (волны Фарадея) [10], предотвращение релей-тейлоровской неустойчивости [11] и высокочастотная стабилизация статически неустойчивых состояний в экспериментах по подвесу тел в жидкости [12], возникновение гидродинамической неустойчивости движения жидкости между вращающимися цилиндрами при модуляции угловой скорости [13]. Все эти теоретические и экспериментальные исследования показывают, что модуляция массовой силы может оказывать как дестабилизирующее, так и стабилизирующее воздействие на гидродинамические системы.
Особый интерес представляют задачи, связанные с параметрическим воздействием на термоконвективные системы. В этом случае жидкость или газ полностью заполняют полость, а стратификация плотности задаётся градиентом температуры. Модуляция параметра, определяющего условия равновесия и конвективный тепломассоперенос в этом случае, осуществляется либо за счет изменения со временем равновесной разности температур между границами полости, либо модуляцией силы тяжести за счет колебаний полости как целого. Такие ситуации возникают в различных явлениях и процессах в атмосфере и океане, связанных с суточными и сезонными изменениями температуры [14]; в химических реакциях, происходящих при периодической подаче реагентов, и в различных технологических процессах, например, выращивания кристаллов [15].
Кроме этого, влияние модуляции управляющего параметра на конвективную устойчивость неоднородно нагретой жидкости может использоваться для управления конвективным тепломассопереносом. Характер

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА И АППАРАТУРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНВЕКЦИИ В ПЕРЕМЕННОМ
ПОЛЕ ТЯЖЕСТИ.
2.1. Выбор параметров экспериментальной установки.
Опыты проводились с горизонтальным слоем жидкости, совершающим колебания вдоль направления статического поля тяжести. Выбор такой геометрии обусловлен, с одной стороны, тем, что она сравнительно легко реализуема в эксперименте и дает определенные удобства для проведения тепловых измерений и визуального наблюдения структур возникающих конвективных движений. С другой стороны, конвекция в такой полости содержит существенные черты, характерные для многих явлений гидродинамической неустойчивости. Кроме этого, изучение конвекции в плоском горизонтальном слое важно в связи с приложениями теории конвективной устойчивости в технологических процессах [94 - 96], гидрологии, метеорологии, геофизике [5,14] и т. п.
Исследование в наземных лабораторных условиях термоконвекции в модулированном поле массовых сил сопровождается сложным взаимодействием двух механизмов конвекции. Первый из них -термогравитационный, вызванный статическим полем тяжести и наличием