Конвективная турбулентность в кубической полости при неоднородном нагреве нижней границы
Автор: Васильев Андрей Юрьевич, Сухановский Андрей Николаевич, Степанов Родион Александрович
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 1 т.12, 2019 года.
Бесплатный доступ
Проблема интенсификации теплообмена при помощи неоднородных по пространству граничных условий представляет большой интерес. В данной работе исследуется влияние неоднородного непериодического распределения нагрева на структуру течения и конвективный теплопоток для существенно турбулентных режимов (Ra = 1,1·109). Численное моделирование конвективной турбулентности в кубической полости при неоднородном распределении нагрева на ее нижней границе выполнено с помощью открытого программного обеспечения OpenFoam 4.1. Представлены результаты для трех вариантов распределения областей нагрева, реализованного при помощи: локализованного нагревателя; девяти нагревателей одинакового размера, равноудаленных друг от друга; фрактального нагревателя. Во всех вариантах площадь нагрева одинакова. Обнаружено, что в случае неоднородного распределения нагреваемых областей в полости формируется крупномасштабная циркуляция, динамика и структура которой зависит от распределения температуры на ее нижней границе...
Конвекция, турбулентность, численное моделирование, кубическая полость
Короткий адрес: https://sciup.org/143167061
IDR: 143167061 | УДК: 532.517.4:536.242 | DOI: 10.7242/1999-6691/2019.12.1.2
Convective turbulence in a cubic cavity with non-homogeneous heating at the lower boundary
The problem of heat transfer intensification using non-homogeneous boundary conditions is of great interest. This paper presents a study of the influence of non-homogeneous, non-periodic distribution of heating on the flow structure and convective heat flux for developed turbulent regimes (Ra = 1,1·109). A numerical simulation of convective turbulence was performed for non-homogeneous heating distribution at the lower boundary in the cubic cavity using open software OpenFoam 4.1. Calculations were carried out for three types of temperature distribution: localized heating at the center of the lower boundary, nine heaters of the same size, equidistant from each other, and fractal heating. All three heating distributions have the same area. The results of numerical simulation showed that in all three cases of non-homogeneous heating distribution in the cavity a large-scale circulation is formed, the dynamics and structure of which depend on the temperature distribution at the lower boundary...
Список литературы Конвективная турбулентность в кубической полости при неоднородном нагреве нижней границы
- Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М., Непомнящий А.А. Устойчивость конвективный течений. М.: Наука, 1989. 320 c.
- Зимин В.Д., Фрик П.Г. Турбулентная конвекция. М.: Наука, 1988. 178 c.
- Siggia E.D. High Rayleigh number convection//Annu. Rev. Fluid Mech. 1994. Vol. 26. P. 137-168.
- Ahlers G., Grossmann S., Lohse D. Heat transfer and large-scale dynamics in turbulent Rayleigh-Benard convection//Rev. Mod. Phys. 2009. Vol. 81. P. 503-537.
- Chilla F., Schumacher J. New perspectives in turbulent Rayleigh-Benard convection//Eur. Phys. J. E. 2012. Vol. 35. 58.
- Oztop H.F., Estelle P., Yan W.-M., Al-Salem K., Orfi J., Mahian O. A brief review of natural convection in enclosures under localized heating with and without nanofluids//Int. Comm. Heat Mass Tran. 2015. Vol. 60. P. 37-44.
- Sukhanovskii A., Evgrafova A., Popova E. Horizontal rolls over localized heat source in a cylindrical layer//Phys. Nonlinear Phenom. 2016. Vol. 316. P. 23-33.
- Miroshnichenko I., Sheremet M. Turbulent natural convection heat transfer in rectangular enclosures using experimental and numerical approaches: A review//Renew. Sustain. Energ. Rev. 2018. Vol. 82. P. 40-59.
- Castaing B., Gunaratne G., Heslot F., Kadanof L., Libchaber A., Thomae S., Wu X.-Z., Zaleski S., Zanetti G. Scaling of hard thermal turbulence in Rayleigh-Benard convection//J. Fluid Mech. 1989. Vol. 204. P. 1-30.
- Ripesi P., Biferale L., Sbragaglia M., Wirth A. Natural convection with mixed insulating and conducting boundary conditions: low-and high-Rayleigh-number regimes//J. Fluid Mech. 2014. Vol. 742. P. 636-663.
- Bakhuis D., Ostilla-Monico R., van der Poel E.P., Verzicco R., Lohse D. Mixed insulating and conducting thermal boundary conditions in Rayleigh-Benard convection//J. Fluid Mech. 2018. Vol. 835. P. 491-511.
- Titov V., Stepanov R. Heat transfer in the infinite layer with a fractal distribution of a heater//IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. Vol. 208. 012039.
- Toppaladoddi S., Succi S., Wettlaufer J.S. Roughness as a route to the ultimate regime of the thermal convection//Phys. Rev. Lett. 2017. Vol. 118. 074503.
- Большухин М.А., Васильев А.Ю., Будников А.В., Патрушев Д.Н., Романов Р.И., Свешников Д.Н., Сухановский А.Н., Фрик П.Г. Об экспериментальных тестах (бенчмарках) для программных пакетов обеспечивающих расчет теплообменников в атомной энергетики//Вычисл. мех. сплош. сред. 2012. Т. 5, № 4. С. 469-480.
- Vasiliev A., Sukhanovskii A., Frick P., Budnikov A., Fomichev V., Bolshukhin V., Romanov R. High Rayleigh number convection in a cubic cell with adiabatic sidewalls//Int. J. Heat Mass Tran. 2016. Vol. 102. P. 201-212.
- Smagorinsky J. General circulation experiments with the primitive equations. I. The basic experiment//Mon. Weather Rev. 1963. Vol. 39, no. 3. P. 99-164.
- https://ru.wikipedia.org/wiki/Ковёр_Серпинского (дата обращения: 09.01.2019)
- Vasiliev A., Frick P., Kumar A., Stepanov R., Sukhanovsky A., Verma M. Mechanism of reorientations of turbulent large-scale convective flow in a cubic cell. https://arxiv.org/pdf/1805.06718.pdf (дата обращения: 09.01.2019)
- Bai K., Ji D., Brown E. Ability of a low-dimensional model to predict geometry-dependent dynamics of large-scale coherent structures in turbulence//Phys. Rev. E. 2016. Vol. 93. 023117.
- Foroozani N., Niemala J.J., Armenio V., Sreenivasan K.R. Reorientations of the large-scale flow in turbulent convection in a cube//Phys. Rev. E. 2017. Vol. 95. 033107.
- Johnston H., Doering C.R. Comparison of turbulent thermal convection between conditions of constant temperature and constant flux//Phys. Rev. Lett. 2009. Vol. 102. 064501.
- Bailon-Cuba J., Emran M.S., Schumacher J. Aspect ratio dependence of heat transfer and large-scale flow in turbulent convection//J. Fluid Mech. 2010. Vol. 655. P. 152-173.
