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在湍流流体中添加微量高聚物可显著减小湍流作用于壁面的表面摩擦力,但对高聚物影响湍流Rayleigh-Bénard对流(简称RBC)的研究却很少,仅见到少量文献从理论及实验上对其进行了研究,而所得结果不尽一致,说明了高聚物影响湍流热对流热输运机理的复杂性,以及对系统各参数及边界条件的依赖性。
本文通过建立二维RBC模型,基于有限体积法采用雷诺应力模型并结合Cross本构方程,数值研究了在不同的边界条件下高聚物剪切特性在RBC软湍流区(Ra=5×105~4×107)及硬湍流区(Ra>4×107)对其热输运的影响,综合研究了高聚物浓度和Ra数对湍流RBC热输运以及流场的影响规律,寻求热输运的变化趋势以及流场及其边界层的变化特征,进而分析高聚物对RBC热输运的作用机理。
数值结果显示,湍流RBC热输运增强与否,主要取决于高聚物的特性。在绝热边壁的边界条件下,当高聚物剪切特性占主导地位时,高聚物溶液剪切变稀,腔体壁面切应力减小,从而促进了羽流喷发,大尺度环流(LargeScaleCirculation,LSC)平均速度增加,而热量主要由羽流从温度边界层注入腔体,并通过大尺度环流进行传递,因此羽流越多,热通量越大,大尺度环流速度越大,热输运越强;当高聚物弹性响应占主导地位时,高聚物与羽流之间的相互作用致使溶液拉伸粘度增加,在一定程度上抑制了羽流的生长,因此可能是造成热输运减小的原因。
但在无侧壁影响的条件下,理论研究及模拟结果显示,系统热输运、速度及温度都相应呈指数增长,并在高Ra数区域表现出强扰动,呈现出不规律的温场及流场。在基于无侧壁影响条件下,添加高聚物可进一步增强湍流RBC热输运。