Турбулентный конвективный теплоперенос в тонких вертикальных слоях жидкости

Аннотация

Выполнены расчеты турбулентной конвекции Релея–Бенара в тонких вертикальных слоях жидкости. Целью работы является исследование влияния толщины полости на конвективный теплоперенос в слое. Расчеты в трехмерной постановке задачи в условиях развитого турбулентного движения среды требуют значительного количества вычислительных ресурсов, что обуславливает актуальность изучения вопроса о возможности применения двумерных и квазидвумерных математических моделей для предсказания интегральных характеристик теплопереноса. В данной работе задача исследовалась численно в трех различных постановках: двумерной (2D), трехмерной (3D) и квазидвумерной (Q2D). Подход к описанию поведения квазидвумерных течений в вертикальной щели включает задание ламинарного поперечного профиля течения с последующим интегрированием уравнений движения поперек слоя и переход к модифицированным двумерным уравнениям. Для 2D и Q2D расчетов используется собственная реализация вычислительного алгоритма, для 3D расчетов применяется открытый программный пакет OpenFOAM Extend 3.1. Установлено, что структура течения существенно влияет на значение числа Нуссельта: интенсивность теплопереноса при уменьшении толщины полости возрастает. Показано, что учет трения на боковых стенках с помощью модели линейного трения, применявшейся в Q2Dрасчетах, существенно влияет на характер течения, изменяет его локальные и интегральные характеристики. Обнаружено, что результаты Q2D расчетов качественно воспроизводят зависимость числа Нуссельта от толщины полости, однако дают заниженные на 30% значения чисел Нуссельта. В то же время результаты расчетов в рамках 2D постановки имеют достаточно слабое отношение к турбулентному течению в реальной полости при любой толщине слоя.Поступила в редакцию 26.01.2016; принята к опубликованию 10.02.2016