模型化垂直加热管中从剪切驱动湍流向对流湍流的转变
流体动力学
2025-01-22 v1
摘要
加热管流是热力学工程中的常见应用，但存在浮力力时会导致间歇性现象，即在相同参数值下出现多种流态。这种流态变化会显著改变其热传递特性，从而引起轴向温度梯度的显著变化。因此，我们引入一种包含时变轴向基准温度梯度的模型，考虑两种温度边界条件——固定温差和固定边界热通量。采用伪谱方法进行的直接数值仿真（DNS）与实验结果表现良好一致。该代码扩展了开源的openpipeflow.org，已在网站上提供。考察了周期轴向域对流动动力学和热传递的影响，分别使用管长为L=5D和L=25D的管子进行研究。只要流动处于完全湍动状态，结果表明平均流和温度轮廓几乎一致，仅在均根振荡幅值上存在轻微差异。当流动呈现空间间歇性时，使用短管会高估热传递，因为剪切湍流填满了整个域。当剪切湍流开始在中等浮力数下被抑制时，这一现象尤为重要。最后，在这种中等浮力数条件下，我们确认局部化剪切湍流在加热管流中的衰减遵循记忆无关过程，类似于等温流中的过程。虽然等温流会层化，但加热管中的对流湍流可间歇性地触发剪切样湍流的爆发。
引用
@article{arxiv.2501.08176,
title = {Modelling the transition from shear-driven turbulence to convective turbulence in a vertical heated pipe},
author = {Shijun Chu and Elena Marensi and Ashley P. Willis},
journal= {arXiv preprint arXiv:2501.08176},
year = {2025}
}