Конвекция в замкнутой полости при наличии в ней крупного тела нейтральной плавучести
Автор: Филимонов С.А., Гаврилов А.А., Сухановский А.Н., Васильев А.Ю., Фрик П.Г.
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 4 т.18, 2025 года.
Бесплатный доступ
Проведено численное исследование конвекции Релея--Бенара в квадратной ячейке при наличии достаточно крупного теплоизолирующего тела нейтральной плавучести для двух умеренных значений числа Релея Ra=105 и Ra=106. Основное внимание уделено изменению динамики тела и конвективных течений при существенном увеличении размера тела. В отсутствие тела в ячейке при Ra=105 устанавливается стационарная двухваликовая конвекция, а при Ra=106 возникает периодический колебательный режим. Появление в ячейке свободноплавающего тела круглого сечения меняет характер течения, который качественно не зависит от размера тела, но принципиально отличается для двух рассмотренных значений числа Релея. Так, при Ra=105 в присутствие тела формируется устойчивая крупномасштабная циркуляция, занимающая всю ячейку. Тело при этом двигается неравномерно, останавливается в двух диагонально расположенных углах ячейки. При Ra=106 сценарий движения тела меняется: свободноплавающее тело совершает квазиустойчивые колебательные движения туда-обратно вдоль траектории, представляющей собой положенную на бок букву П. Внесение плавающего тела приводит к снижению интенсивности конвективного течения и конвективного переноса тепла. Показано, что значения чисел Рейнольдса и Нуссельта заметно снижаются по мере роста размеров тела. В результате взаимодействия тела с температурными пограничными слоями наблюдаются заметные колебания интенсивности потоков тепла во времени и, как следствие, квазипериодические осцилляции средней температуры жидкости. Наиболее выраженная корреляция температуры и вертикальной координаты положения тела имеет место в случае крупных тел и большего значения числа Релея.
Тепловая конвекция, прямое численное моделирование, свободноплавающее тело
Короткий адрес: https://sciup.org/143185430
IDR: 143185430 | УДК: 532.5; 536.252 | DOI: 10.7242/1999-6691/2025.18.4.27
Convection in a closed cavity with a large body of neutral buoyancy
Rayleigh-Benard convection in a square cell with a sufficiently large, heat-insulating body of neutral buoyancy is studied numerically for two moderate values of the Rayleigh number Ra=105 and Ra=106. The emphasis is placed on changes in the dynamics of bodies and convective flows observed at a significant increase in body size. In the absence of a body, stationary two-roll convection is formed in the cell at Ra=105, and at Ra=106 a periodic oscillatory regime occurs. The appearance of a freely floating circular body in a cell changes the flow behavior, which is qualitatively independent of the body size, but fundamentally different for two considered values of the Rayleigh number. Thus, at Ra=105, in the presence of a body, a stable large-scale circulation is formed, occupying the entire cell. The movement of the body is irregular, stopping at two diagonally located corners of the cell. At Ra=106, the body movement scenario changes: a free-floating body performs quasi-stable oscillatory movements, moving back and forth along a trajectory representing the letter Pi rotated by 90 degrees. The introduction of a floating body leads to a decrease in the intensity of convective flow and convective heat transfer. It is shown that the values of the Reynolds and Nusselt numbers decrease significantly with increasing body size. The interaction between body and temperature boundary layers causes noticeable temporary fluctuations in heat fluxes, resulting in quasi-periodic fluctuations in the average temperature of the fluid. The most pronounced correlation between the temperature and the vertical coordinate of body position is observed in the case of large bodies and a higher value of the Rayleigh number.
