加热管流中向对流湍流转捩的最小种子
流体动力学
2024-07-24 v2
摘要
众所周知,浮力在向上加热管流中会抑制甚至层化湍流。在这种情况下传热严重恶化。通过一个新的 DNS 模型,我们证实了对流湍流内恶化的传热与近壁涡卷的缺失有关,这导致近壁面流动与管道中心流动之间的混合较弱。在考察了系统的基本性质后,我们进行了非线性非模态稳定性分析。结果发现,随着浮力数 C 的增加,最小种子变得更薄且更靠近壁面。最重要的是,我们表明触发剪切驱动湍流所需的临界初始能量不断增加,这意味着人工触发尝试在较大 C 时可能不是改善传热的高效手段。在 C=6 时发现的新最小种子在流向方向上局部化,并在管道中心活跃。为了找到这一最优分支,我们利用了线性稳定性的窗口。虽然非线性最优在此 C 及更大 C 时直接导致向对流湍流的转捩,但经由线性不稳定性的转捩会通过行波或周期轨道解进行。对周期解的详细分析揭示了三个阶段:不稳定特征函数的增长、条纹的形成,以及由于不稳定性被抑制导致的条纹衰减。C 高达 10 时的流场可视化也显示出相似特征,表明对流湍流由这三个典型过程维持。
引用
@article{arxiv.2403.08985,
title = {The minimal seed for transition to convective turbulence in heated pipe flow},
author = {Shijun Chu and Ashley P. Willis and Elena Marensi},
journal= {arXiv preprint arXiv:2403.08985},
year = {2024}
}