Влияние вариации пористости и проницаемости на конвективную устойчивость двухслойной системы при продольной вибрации в невесомости

Екатерина Андреевна Колчанова (Ekaterina A. Kolchanova)

Аннотация


Изучается влияние пористости и проницаемости на порог возникновения осредненной конвекции однокомпонентной жидкости в неоднородно нагретом горизонтальном слое, частично заполненном пористой зоной в условиях нулевой гравитации. Система жидкостного и пористого слоев как целое колеблется с высокой частотой и малой амплитудой в продольном направлении. Проницаемость связана с пористостью формулой Кармана-Козени. При численном моделировании линейной задачи устойчивости квазиравновесия жидкости в слоях применяется метод построения фундаментальной системы решений с ортогонализацией векторов частных решений. Находится порог возникновения коротковолновых и длинноволновых конвективных валов. С ростом пористости от 0.3 до 0.8 наблюдается резкая смена вида неустойчивости с коротковолновой на длинноволновую, которая также присутствует при термогравитационной конвекции в слоистых жидкостных системах с пористой зоной в земных условиях. Выделена особенность конвекции в невесомости по сравнению с течением в поле силы тяжести, которая заключается в немонотонном поведении порога устойчивости с ростом пористости при разных фиксированных частотах вибрации. При малых частотах имеется повышение порога, а при больших частотах – его понижение в интервале пористостей от 0.3 до 0.8. Дополнительно исследуется влияние двух типов граничных условий для касательных скоростей вблизи границы раздела слоев на порог возбуждения конвекции в системе с пористой зоной небольшой проницаемости.


Ключевые слова


однородная пористая зона; двухслойная система; термовибрационная конвекция; микрогравитация; продольная вибрация; эффекты проницаемости и пористости; условие Биверса-Джозефа

Полный текст:

PDF

Литература


Gershuni G. Z., Zhukovitskii E. M. Convective stability of incompressible fluids. Moscow: Nauka, 1972. 392 p.

Gershuni G. Z., Lyubimov D. V. Thermal Vibrational Convection. N.Y.: Wiley, 1998. 358 p.

Zavarykin M. P., Zorin S. V., Putin G. F. An experimental study of the vibrational convection. Doklady Akademii nauk SSSR, 1985, vol. 281, no. 4, pp. 815-816.

Zavarykin M. P., Zorin S. V., Putin G. F. On the thermoconvective instability in a vibrational field. Doklady Akademii nauk SSSR, 1988, vol. 299, no. 2, pp. 309-312.

Demin V. A., Gershuni G. Z., Verkholantsev I. V. Mechanical quasiequilibrium and thermovibrational convective instability in an inclined fluid layer. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1996, vol. 39, pp. 1979-1991.

Babushkin I. A., Demin V. A. Vibrational convection in the Hele-Shaw cell. Theory and experiment. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2006, vol. 47, no. 2, pp. 183-189.

Babushkin I. A., Demin V. A. On vibration-convective flows in a Hele-Shaw cell. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2008, vol. 81, no. 4, pp. 739-747.

Zen’kovskaya S. M. The effect of high-frequency vibrations on filtration convection. AMTP, 1992, vol. 33, no. 5, pp. 83-88.

Bardan G., Mojtabi A. On the Horton–Rogers–Lapwood convective instability with vertical vibration. Physics of Fluids, 2000, vol. 12, pp. 2723–2731.

Bardan G., Razi Y. P., Mojtabi A. Comments on the mean flow averaged model. Physics of Fluids, 2004, vol. 16, no. 12, pp. 4535.

Govender S. Linear stability and convection in a gravity modulated porous layer heated from below: Transition from synchronous to subharmonic oscillations. Transport in Porous Media, 2005, vol. 59, pp. 227–238.

Zen’kovskaya S. M., Rogovenko T. N. Filtration convection in high-frequency vibration field. AMTP, 1999, vol. 40, no. 3, pp. 22-29.

Chen F., Chen C. F. Experimental investigation of convective stability in a superposed fluid and porous layer when heated from below. Jour-nal of Fluid Mechanics, 1989, vol. 207, pp. 311–321. DOI: 10.1017/S0022112089002594

Hirata S. C., Goyeau B., Gobin D. Stability of thermosolutal natural convection in superposed fluid and porous layers. Transport in Porous Media, 2009, vol. 78, pp. 525-536. DOI: 10.1007/s11242-008-9322-9

Kolchanova E., Lyubimov D., Lyubimova T. The onset and nonlinear regimes of convection in a two-layer system of fluid and porous medium saturated by the fluid. Transport in Porous Media, 2013, vol. 97, no. 1, pp. 25–42. DOI: 10.1007/s11242-012-0108-8

Lyubimov D. V., Lyubimova T. P., Muratov I. D., Shishkina E. A. Vibration effect on convection onset in a system consisting of a horizontal pure liquid layer and a layer of liquid saturated porous medium. Fluid Dynamics, 2008, vol. 43, no. 5, pp. 789-798.

Lyubimov D., Kolchanova E., Lyubimova T. Vibration effect on the nonlinear regimes of thermal convection in a two-layer system of fluid and saturated porous medium. Transport in Porous Media, 2015, vol. 106, pp. 237–257.

Kolchanova E. A., Kolchanov N. V. Vibration effect on the onset of thermal convection in an inhomogeneous porous layer underlying a fluid layer. International Journal of Heat and Mass Trans-fer, 2017, vol. 106, pp. 47-60.

Kolchanova E. A., Kolchanov N. V. Nonlinear convection regimes in superposed fluid and porous layers under vertical vibrations: Positive porosity gradients. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2018, vol. 121, pp. 37-45.

Kolchanova E. A., Kolchanov N. V. Nonlinear convection regimes in superposed fluid and porous layers under vertical vibrations: Negative porosity gradients. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2018, vol. 127, pp. 438-449.

Nield D., Bejan A. Convection in Porous Media. USA: Springer, 2013. 778 p.

Carman P. C. Fluid flow through granular beds. Transactions of the Institution of Chemical Engineers, 1937, vol. 15, pp. S32–S48.

Liubimov D. V., Muratov I. D. O konvectivnoi neustoichivosti v sloistoi sisteme (On convective instability in a layered system). Gidrodinamica (Hydrodynamics), 1977, vol. 10, pp. 38–46. (In Russian)

Beavers G. S., Joseph D. D. Boundary conditions at a naturally permeable wall. Journal of Fluid Mechanics, 1967, vol. 30, pp. 197–207.

Lobov N. I., Liubimov D. V., Liubimova T. P. Chislennie metodi resheniya zadach teorii gidrodinamicheskoi ustoichivosti. Study guide, Perm: PSU, 2004. 101 p.




DOI: http://dx.doi.org/10.17072/1994-3598-2020-2-38-47

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.


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.

Журнал включен в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук (специальности: 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы; 01.04.07 - Физика конденсированного состояния).

Научное издание

© ФГБОУ ВО «Пермский государственный национальный исследовательский университет», 2019

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