瑞利-伯纳德湍流热对流中的高阶流动结构

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热对流现象广泛存在于日常生活以及自然界中,因此对热对流的研究不仅可以解释自然界的一些热对流现象,增加人们对它们的认识,还可以指导人们解决工程中的传热问题。Rayleigh-Bénard(RB)湍流热对流系统就是从众多的自然现象中抽象出来的研究对流问题的经典流体力学模型。由于其在相对简单的物理系统中有着非常复杂多样的流动动态行为以及一些非线性的特点,引起了很多研究者的关注。通过研究并了解Rayleigh-Bénard对流中的结构型态的形成以及演变过程,对于了解自然现象和生产生活中的热对流现象具有重要的意义。  在本论文中,我们系统研究了高的瑞利数下的RB中的大尺度环流的停滞与反转现象中高阶流动结构的行为变化。我们选取的Γ(宽高比,D/H)分别是1和0.5,对应的Ra(无量纲化的温差)分别是899.0?10?6.0?10,10101.6?10?7.2?10。而普朗特数(Pr)的值为5.0。我们首先确定了大尺度环流及其停滞和反转现象,并统计了不同条件下各自发生的次数;然后确定了流动中的高阶傅里叶模式;最后分析这四种形态在停滞(反转)中的行为变化以及对停滞(反转)所起的作用。  我们发现在Γ?1时,一阶模式占据主要地位,二阶以及更高阶模式非常弱;在Γ?0.5的时候,一阶模式依然占主导,而二阶开始变强。流动对外呈现的是一阶的大尺度环流。当流体发生停滞(反转)的时候,二阶模式先达到一个局部最大值,然后减小;同时,一阶强度是减小趋近于零,然后反弹。在流动过程中,一阶模式与其他几阶模式之间呈现负相关性,而其他几阶模式之间呈现的是正相关性,尤其是一阶与二阶之间,负相关性程度最强。高阶流动模式,尤其是二阶流动模式在大尺度环流的停滞(反转)中起到了重要的作用。综上所述,高阶流动模式在大尺度环流的停滞(反转)中起到了重要的作用,促使大尺度环流发生停滞(反转),在以后的建模过程中要充分考虑到这一现象。
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