不同边界条件下添加高聚物对湍流热对流输运的影响.doc

文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123457
不同边界条件下添加高聚物对湍流热对流输运的影响
蒋花红李昌烽* 刘石兵徐睿
(江苏大学能源与动力工程学院, 镇江212013)
(Tel: [phone]-8864, E-mail: ******@ujs.)
摘要:为了探讨高聚物影响Rayleigh-Bénard湍流对流热输运机理,本文基于有限体积法采用雷诺应力湍流模型并结合Cross粘度方程对不同边界下高聚物溶液的Rayleigh-Bénard湍流对流进行了二维模拟,得到了不同高聚物浓度、Ra数下的平均Nu数、湍流统计量及流场分布,将不同边界下所得结果进行了对比分析。结果表明:添加高聚物可有效加强湍流热输运,且随高聚物浓度及Ra数的增加而加强;高聚物浓度在硬湍流区有效作用高于软湍流区;基于无侧壁影响条件下,热输运可进一步加强。
关键词:Rayleigh-Bénard对流;湍流;热输运;Cross粘度方程;雷诺应力湍流模型
0 前言
在湍流流体中,添加少量聚合物添加剂,可显著减少湍流作用于固体壁面的表面摩擦阻力,被称其为“Toms效应”[1]。利用此现象可有效减少驱动管道内流动能耗,起到高效节能作用,因此吸引了众多国内外学者的关注,近60年来对其进行了大量的研究和探讨。但关于高分子影响湍流对流热输运的研究还不多。
近几年来,仅见到少量文献[2-5]从理论及实验上对高聚物影响湍流对流热输运进行了研究。Benzi[2]等用FENE-P (Finite Elastic Non-linear Extensibility-Peterlin)模型直接数值模拟得到添加高聚物使湍流热对流中热输运增强,并预测高聚物在边界层区使热输运减弱。Dubief[3]基于FENE-P模型模拟验证了高聚物的添加会造成湍流热对流中热输运增强和减弱的不同结果,并得到,当We≤1(Weissenberg number,韦森伯数)时,高聚物的添加使湍流热对流热输运增强,We>1时热输运减弱。Boffetta[4]等采用Oldroyd-B模型直接模拟了在Rayleigh-Taylor不稳定条件下,高聚物的添加可使湍流热对流中热输运明显增强;而Ahlers 和 Nikolaenko[5]在他们的实验条件下得到热输运减小的结果。这说明了影响湍流RBC热输运的因素较多,且高聚物影响湍流对流热输运机理较为复杂,目前仍难以给出十分准确的解释,因此有待进一步的深入研究与探讨。
Rayleigh-Bénard对流(RBC)是最典型的热对流模型。所谓RBC是指在封闭容器内,其下表面加热上表面冷却形成温差,造成流体密度差异致使容器内流动运动。RBC不仅可以提高人们对星际、海洋、大气、纯半导体生产中热对流的认识,而且对耗散系统中非线性现象的精细研究提供了理想模型,因此不管是从人与自然和谐共处还是从利用自然的角度,Rayleigh-Bénard对流都能够给予人们更为深刻的理解和认识,具有非常重要的理论价值和现实意义。
本文通过研究不同边界的影响,建立不同的二维RBC模型,并基于有限体积法采用雷诺应力模型并结合Cross本构方程,数值研究了高聚物在RBC软湍流区(Ra=5×105~4×107)及硬湍流区(Ra>4×107)[8]对热输运的影响,综合研究了在不同的高聚物浓度