【摘 要】
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自然界和工程器械中存在的许多热对流现象都会受到复杂边界和额外剪切力的作用,研究非光滑壁面剪切热对流对理解二者在Rayleigh-Bénard热对流系统中的耦合作用具有重要的理论价值和实际意义。本文通过在上、下导热板上设置波浪形状的壁面单元,并令其在水平方向上相向移动,从而实现波形壁面剪切的效果。计算方法采用直接数值模拟,研究的控制参数包括瑞利数Ra、壁面剪切雷诺数Rew、壁面单元高度h、对流槽宽高
【基金项目】
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国家自然科学基金委资助项目:浮力驱动湍流,校项目编号:D.69-0143-19-009,经费350万
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自然界和工程器械中存在的许多热对流现象都会受到复杂边界和额外剪切力的作用,研究非光滑壁面剪切热对流对理解二者在Rayleigh-Bénard热对流系统中的耦合作用具有重要的理论价值和实际意义。本文通过在上、下导热板上设置波浪形状的壁面单元,并令其在水平方向上相向移动,从而实现波形壁面剪切的效果。计算方法采用直接数值模拟,研究的控制参数包括瑞利数Ra、壁面剪切雷诺数Rew、壁面单元高度h、对流槽宽高比Γ,其范围分别为10~6≤Ra≤10~8、0≤Rew≤5000、0≤h≤2和2≤Γ≤4π。研究发现,在所有壁面单元高度h下,随着壁面剪切作用的增大,系统流态会从浮力控制区向剪力控制区转变,其间可能会存在中间流态——转变区。在浮力控制区,流场中大尺度环流会发生形变;在剪力控制区,系统由Couette层流和热扩散控制;转变区内水平流动大幅增强,羽流上浮、下降运动减弱。对流态转变的理论解释是:随着壁面剪切增大,导热板之间的温度差所产生的浮力与壁面剪切产生的剪力,会抢夺系统动能的控制权,从而产生了三种不同的流动状态。通过对平均动能方程中浮力生成项Pbuo和剪力生成项Pshear作量纲分析,可以得到壁面剪切热对流理论上的流态转变标度律Rew,cr～Ra9/14,与数值结果吻合良好。另外,在波浪形壁面的对流槽内的浮力控制区内,传热效率——努塞尔数Nu会随着Rew增大而大幅增强。其原因是,移动的波形壁面起到了“羽流传送带”的作用:波形导热板以固定速度裹挟着羽流水平运动,运送冷、热流达到羽流发射区后,它们便从近壁区进入中央区混合,从而增强传热。在大宽高比的对流槽中（Γ=2π和Γ=4π）,导热板上会生出多个羽流发射区,其数量会随着Rew增大而减少。因为与宽高比Γ=2时相比,增加了羽流发射区数量减少的这个过程,因此大宽高比的对流槽内流态转变的临界壁面剪切雷诺数Rew,cr会更大。
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