湍流热对流Prandtl数效应的数值研究

包芸; 高振源; 叶孟翔

doi:10.7498/aps.67.20171518

摘要

本文采用直接数值模拟的并行直接求解方法，计算了Ra=1010，0.05 Pr 20的系列Prandtl（Pr）数二维湍流热对流.通过流动显示技术，讨论了Pr数对羽流形态和大尺度环流结构的影响.在Ra=1010时，随着Pr数减小，羽流的运动和分布表现出更强的湍流性质，较高Pr数的羽流则表现出较强的规律性，当Pr4.3时，流场中存在明显的大尺度环流和角涡结构.不同Pr数的温度边界层厚度差异不大，并随Pr数存在标度率变化关系.当Pr数较低时，系统的传热Nusselt（Nu）数随着Pr数增加而增加，当Pr数较高时，Nu数随Pr数的变化不敏感.靠近底板处速度脉动随Pr数有显著的变化，Pr数越低速度波动越剧烈.通过底板中心位置水平脉动速度和平均场水平速度最大值给出的雷诺数Re〈u〉和ReUmax，两种Re数随Pr数的变化满足同一标度律，为Re～ Pr-0.81.

关键词:

Abstract

The high-resolution numerical simulations of two-dimensional (2D) turbulent Rayleigh-Bnard convection are conducted by using the Parallel direct method of DNS (PDM-DNS) with Ra=1010 and Pr in a range from 0.05 to 20. Using the flow visualization technique, the effects of Pr on the structure of plumes and large scale circulation (LSC) are investigated. With Pr decreasing, plumes become more active and the flow turns more turbulent. When Pr4.3, pronounced LSC and corner vortex exist. The thickness of thermal boundary layer varies slightly with the value of Pr changing, which obeys a scaling law. Nusselt number (Nu) increases with Pr value increasing when Pr value is low and becomes independent when Pr value is high. Furthermore, two definitions of Reynolds number (Re) are given. The Re〈u〉 angle is calculated from the fluctuation of horizontal velocity near the center of bottom plate, and the ReUmax is calculated from maximal horizontal velocity in the mean field. Both of them follow the same scaling Re~Pr0.81.

Keywords:

作者及机构信息

1.
中山大学力学系, 广州 510275

通信作者: 包芸, stsby@mail.sysu.edu.cn

基金项目: 国家自然科学基金（批准号：11772362，11452002）和国家自然科学基金委员会广东省人民政府联合基金（第二期）超级计算科学应用研究专项（批准号：nsfc2015_570）资助的课题.

Authors and contacts

1.
Department of Mechanics, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China

Corresponding author: Bao Yun, stsby@mail.sysu.edu.cn

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11772362, 11452002), the Special Scientific Research Fund for Super Computing in the Joint Fund of the National Natural Science Foundation of China, and the People's Government of Guangdong Province (PhaseII)(Grant No. nsfc2015_570).

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