Анализ мод крупномасштабной циркуляции жидкого натрия в эксперименте по турбулентной конвекции Релея–Бенара

Андрей Дмитриевич Мамыкин (Andrey D. Mamykim), Геннадий Леонидович Лосев (Gennady L. Losev), Сергей Дмитриевич Мандрыкин

Аннотация


В работе представлены результаты экспериментального исследования турбулентной конвекции жидкого натрия в вертикальном цилиндре с единичным аспектным отношением, нагреваемом с одного торца и охлаждаемом с другого. Проведён подробный спектральный анализ температурных сигналов для экспериментов длительностью от 1 до 7 ч. Показано, что во всём диапазоне чисел Релея (0.6÷2.2)·107 турбулентное течение самоорганизуется в крупномасштабную циркуляцию (КМЦ), занимающую всю полость и имеющую сложную пространственно-временную структуру. Помимо основной моды в структуре течения присутствуют дополнительные, такие как слошинг и торсионные колебания. Разработанный алгоритм обработки экспериментальных данных позволил выделить данные моды и провести независимый анализ их характеристик. Долговременные замеры позволили обнаружить блуждание плоскости основной моды КМЦ с помощью разработанного алгоритма фильтрации экспериментальных данных. Процесс блуждания имеет непериодический характер и заключается в нерегулярных поворотах плоскости КМЦ преимущественно на углы порядка 40 – 50° на временных масштабах от единиц до десятков минут и, редко, на углы порядка 90° и даже на 180° на больших временных масштабах. Такие редкие события удалось зафиксировать на вейвлет-диаграммах в виде всплесков спектральной плотности энергии.


Ключевые слова


конвекция Релея-Бенара; турбулентность; крупномасштабная циркуляция

Полный текст:

PDF

Литература


Chillà F., Schumacher J. New perspectives in turbulent Rayleigh-Bénard convection. Eur. J. Phys. E, 2012, vol. 35, 58.

Hanasoge S. M., Duvall T. L. Jr., Sreenivasan K. R. 2012 Anomalously weak solar convection. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2012, vol. 109 (30), pp. 11928–11932.

King E. M., Aurnou J. M. Turbulent convection in liquid metal with and without rotation. Proc Natl. Acad. Sci. USA, 2013, vol. 110(17), pp. 6688–6693.

Asai S. Electromagnetic Processing of Materials: Materials Processing by Using Electric and Magnetic Functions (Springer, Heidelberg), 2012.

Grötzbach G. Challenges in low-Prandtl number heat transfer simulation and modeling. Nucl. Eng. Des., 2013, vol. 264, pp. 41–55.

Kelley D. H., Sadoway D. R. Mixing in a liquid metal electrode. Phys. Fluids, 2014, vol. 26, 057102.

Ahlers G., Grossmann S., Lohse D. Heat transfer and large scale dynamics in turbulent Rayleigh-Bénard convection. Rev. Mod. Phys. 2009, vol. 81, pp. 503−537.

Xi H.-D., Xia K.-Q. Azimuthal motion, reorientation, cessation, and reversal of the large-scale circulation in turbulent thermal convection: A comparative study in aspect ratio one and one-half geometries. Phys. Rev. E, 2008, vol. 78, 036326.

Khalilov R., Kolesnichenko I., Pavlinov A., Mamykin A., et al. Thermal convection of liquid sodium in inclined cylinders. Phys. Rev. Fluids, 2018, vol. 3, 043503.

Kolesnichenko I., Khalilov R., Teimurazov A., Frick P. On boundary conditions in liquid sodium convective experiments. J. Phys.: Conf. Ser., 2017, vol. 891, 012075.

Cioni S., Ciliberto S., Sommeria J. Strongly turbulent Rayleigh-Bénard convection in mercury: comparison with results at moderate Prandtl number. J. Fluid Mech., 1997, vol. 335, pp. 111−140.

Xi H.-D., Zhou S.-Q., Zhou Q., Chan T.-S., et al. Origin of the temperature oscillation in turbulent thermal convection. Phys. Rev. Letters, 2009, vol. 102, 044503.

Brown E., Ahlers G. The origin of oscillations of the large-scale circulation of turbulent Rayleigh-Bénard convection. J. Fluid Mech., 2009, vol. 638, pp. 383-400.

Zürner T., Schindl F., Vogt T., Eckert S., et al. Combined measurement of velocity and temperature in liquid metal convection. J. Fluid Mech., 2019, vol. 876, pp. 1108-1128.

Zwirner L., Khalilov R., Kolesnichenko I., Mamykin A., et al. The influence of the cell inclination on the heat transport and large-scale circulation in liquid metal convection. J. Fluid Mech., 2020, vol. 884, A18.

Zhou Q., Xi H.-D., Zhou S.-Q., Sun C., et al. Oscillations of the large-scale circulation in turbulent Rayleigh-Bénard convection: the sloshing mode and its relationship with the torsional mode. J. Fluid Mech., 2009, vol. 630, pp. 367–390.

Mamykin A. D., Kolesnichenko I. V., Pavlinov A. M., Khalilov R. I. Large scale circulation in turbulent Rayleigh-Bénard convection of liquid sodium in cylindrical cell. J. Phys.: Conf. Ser., 2018, vol. 1128, 012019.




DOI: http://dx.doi.org/10.17072/1994-3598-2020-2-65-73

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).