【摘要】：大尺度環(huán)流廣泛存在與大自然界中,如大氣環(huán)流和海洋環(huán)流。本文主要對傾斜Rayleigh-Bénard湍流熱對流系統(tǒng)中的大尺度環(huán)流進行了研究,實驗裝置是一個底面直徑D和高H均是0.1 m即尺度比Γ=1的圓柱形對流槽,流體介質(zhì)為水,系統(tǒng)中心溫度T_0恒定為40~?C,普朗特數(shù)Pr≈4.38,溫差控制在4≤?T≤20~?C即瑞利數(shù)為1.52×10~8?Ra?7.58×10~8,傾斜角范圍為0~?≤β≤75~?。實驗測量了系統(tǒng)的換熱強度Nu與傾斜角和瑞利數(shù)的依賴關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在沒有傾斜角(β=0~?)時,系統(tǒng)的換熱Nu隨Ra滿足0.3的指數(shù)標(biāo)度率關(guān)系,當(dāng)傾斜角增大時,系統(tǒng)的Nu下降并在β=15~?達(dá)到最小值,繼續(xù)增大傾斜角Nu又開始上升,當(dāng)β60~?,系統(tǒng)開始趨于層流化,大尺度環(huán)流平面的運動消失,Nu隨著β的增大開始下降,且Nu數(shù)不再受Ra的影響。Rayleigh-Bénard湍流熱對流系統(tǒng)大尺度環(huán)流平面的運動包括旋轉(zhuǎn)運動和晃動運動,實驗在系統(tǒng)中間平面邊壁進行溫度的測量,并對溫度數(shù)據(jù)用正弦和余弦函數(shù)模型進行分析得到了系統(tǒng)大尺度環(huán)流的動力學(xué)參數(shù),包括大尺度環(huán)流的旋轉(zhuǎn)角θ_m、大尺度環(huán)流強度δ、晃動角α。通過分析中間平面溫度的時間序列以及大尺度環(huán)流旋轉(zhuǎn)角和晃動角隨時間的變化,我們同樣發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)從湍流運動向?qū)恿鬟\動轉(zhuǎn)化的過程。此外我們還對大尺度環(huán)流的動力學(xué)參數(shù)進行統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)在β=0~?的實驗條件,不同Ra下,大尺度環(huán)流平面的旋轉(zhuǎn)角的概率密度分布滿足同一高斯分布,旋轉(zhuǎn)角速率的概率密度分布不受Ra數(shù)的影響;大尺度環(huán)流平面的晃動角的概率分布則是近似對稱的雙峰分布,晃動角速率的概率密度分布不受Ra的影響,對晃動角的功率譜密度分析發(fā)現(xiàn)大尺度環(huán)流的晃動運動存在明顯的周期性即存在一個晃動頻率,且無量綱的晃動頻率f H~2/ν與Ra存在一個4/9的指數(shù)標(biāo)度率關(guān)系與GL理論相吻合。隨著傾斜角β的增大,大尺度環(huán)流平面旋轉(zhuǎn)角的概率分布仍然服從高斯分布,但高斯分布中的標(biāo)準(zhǔn)差與β有關(guān),大尺度環(huán)流強度與傾斜角也存在依賴關(guān)系;而大尺度環(huán)流晃動角的概率分布隨著傾斜角的增大由雙峰分布向偏斜的單峰分布發(fā)展,同時晃動角的周期性逐漸減弱至消失。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O357.5

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本文編號：2596415