Влияние граничных условий нагрева на процессы теплообмена в неоднородно нагретом горизонтальном слое жидкости

Анна Валерьевна Евграфова (Anna Evgrafova), Андрей Николаевич Сухановский (Andrey N. Sukhanovskii), Михаил Олегович Кучинский (Mikhail Kuchinskii)

Аннотация


В работе экспериментально исследованы процессы теплообмена в горизонтальном слое жидкости локально подогреваемом снизу. Эксперименты были проведены для различных жидкостей в диапазоне чисел Рэлея Ra от 105 до 107. Особое внимание было уделено исследованию влияния граничных условий нагрева (условие постоянной температуры нагревателя и постоянного потока тепла) на структуру течения и интенсивность теплообмена. Локальный нагрев в центре приводит к появлению как горизонтального, так и вертикального градиента температуры. Формируется крупномасштабная адвективная ячейка, на фоне которой возникает система вторичных конвективных структур. Мелкомасштабные валы развиваются в пограничном слое над нагреваемой областью, их структура и интенсивность существенно зависят от степени нагрева. В данной статье описано влияние граничных условий нагрева на динамику, как основного течения, так и вторичных структур. Получены зависимости интенсивности теплообмена при фиксированной мощности нагревателя и фиксированной температуре.


Ключевые слова


естественная конвекция; теплообмен; локальный нагрев

Полный текст:

PDF

Литература


Grossmann S., Lohse D. Scaling in thermal convection: a unifying theory. Journal of Fluid Mechanics, 2000, vol. 407, pp. 27–56.

Grossmann S., Lohse D. Thermal convection for large Prandtl numbers. Physical Review Letters, 2001, vol. 407, pp. 27–56.

Niemela J. J., Skrbek L., Sreenivasan K. R., Donnelly R. J. Turbulent convection at very high Rayleigh numbers. Nature, 2000, vol. 404, pp. 837–840.

Ahlers G., Brown E., Nikolaenko A. The search for slow transients, and the effect of imperfect vertical alignment, in turbulent Rayleigh–Benard convection. Journal of Fluid Mechanics, 2006, vol. 557, pp. 347–367.

Boubnov B. M., van Heijst G. J. F. Experiments on convection from a horizontal plate with and without background rotation. Experiments in Fluids, 1994, vol. 16, pp. 155–164.

Lu J., Arya S. P., Snyder W. H., Lawson R. E. Laboratory study of the urban heat island in a calm and stably stratified environment. Journal of Applied Meteorology, 1997, vol. 36, pp. 1377–1391.

Shvarts K. G., Shklyaev V. A. Numerical modeling of mesoscale vortex structures near a strong hot impurity source in the atmospheric boundary layer. Computational Fluid Dynamics, 2009, vol. 1, pp. 96–106.

Aristov S. N., Frick P. G. Large-scale turbulence in a thin layer of nonisothermal rotating fluid. Fluid Dynamics, 1988, vol. 23, no. 4, p. 522–528.

Bogatyrev G. P. Excitation of cyclonic vortex or laboratory model of tropical cyclone. JETP Letters, 1990, vol. 51, no. 11, pp. 557–559.

Sukhanovskii A., Evgrafova A., Popova E. Horizontal rolls over localized heat source in a cylindrical layer. Physica D: Nonlinear Phenomena. 2016, vol. 316, pp. 23–33.

Sukhanovskii A., Evgrafova A., Popova E. Laboratory study of a steady-state convective cyclonic vortex. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 2016, vol. 142, pp. 2214–2223.

Sezai I., Mohamad A. A. Natural convection from a discrete heat source on the bottom of a horizontal enclosure. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2000, vol. 43, pp. 2257–2266.

Roche P. E., Castaing B., Chabaud B., Hebral B., Sommeria J. Side wall effects in Rayleigh–Benard experiments. European Physical Journal B, 2001, vol. 24, pp. 405–408.

Yang G., Wu J. Y. Effects of natural convection, wall thermal conduction, and thermal radiation on heat transfer uniformity at a heated plate located at the bottom of a three-dimensional rectangular enclosure. Numerical Heat Transfer. Part A: Applications, 2016, vol. 69, pp. 589–606.

Sharma A. K., Velusamy K., Balaji C. Turbulent natural convection in an enclosure with localized heating from below. International Journal of Thermal Sciences, 2000, vol. 46, pp. 1232–1241.

Verzicco R., Sreenivasan K. R. A comparison of turbulent thermal convection between conditions of constant temperature and constant heat flux. Journal of Fluid Mechanics, 2008, vol. 595, pp. 203–209

Johnston H., Doering C. R. Comparison of turbulent thermal convection between conditions of constant temperature and constant flux. Physical Review Letters, 2009, vol. 102, 064501.

Evgrafova A., Sukhanovskii A., Kuchinskii M., Popova E. Influence of geometrical parameters on convective flows in non-uniformly heated cylindrical fluid layers. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2017, vol. 208, 012016




DOI: http://dx.doi.org/10.17072/1994-3598-2018-2-68-74

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.





ISSN: 1994-3598

Адрес издателя и учредителя: ПГНИУ, ул. Букирева, д. 15, г. Пермь, 614990

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охраны культурного наследия. Свидетельство о регистрации средства массовой информации ПИ № ФС77-66788 от 08 августа 2016 г.

Научное издание

© ФГБОУ ВО «Пермский государственный национальный исследовательский университет», 2018

Лицензия Creative Commons Материалы журнала публикуются по лицензии Creative Commons - Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).