×ÈÑËÅÍÍÎÅ ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈÅ ÃÈÑÒÅÐÅÇÈÑÀ È ÁÈÔÓÐÊÀÖÈÉ ÒÐÅÕÌÅÐÍÛÕ ÊÎÍÂÅÊÒÈÂÍÛÕ ÒÅ×ÅÍÈÉ Â ÍÀÊËÎÍÍÎÉ ÏÐßÌÎÓÃÎËÜÍÎÉ ÎÁËÀÑÒÈ Ââåäåíèå Èíòåíñèâíîå èññëåäîâàíèå êîíâåêöèè â îãðàíè÷åííûõ íàêëîííûõ ñëîÿõ ïðÿìîóãîëüíîé ôîðìû íà÷àëîñü â 70-õ ãîäàõ ñ ðàáîòû Õàðòà [1].  òàêèõ çàäà÷àõ êîíâåêöèÿ îáóñëîâëåíà äâóìÿ ìåõàíèçìàìè. Îäèí âûçâàí ÍÅÓÑÒÎÉ×ÈÂÛÌ ÏÎËÎÆÅÍÈÅÌ ìåõàíè÷åñê îãî ðàâíîâåñèÿ â ñëó÷àå ãîðèçîíòàëüíîãî ðàñïîëîæåíèÿ ñëîÿ, ïîäîãðåâàåìîãî ñíèçó, à äðóãîé ÎÒÑÓÒÑÒÂÈÅÌ ÐÀÂÍÎÂÅÑÈß ïðè âåðòèêàëüíîì ðàñïîëîæåíèè, ïîäîãðåâàåìîãî ñáîêó. Ãåðøóíè è Æóõîâèöêèé [2] àíàëèòè÷åñêè ïðåäñêàçàëè âîçíèêíîâåíèå â áåñêîíå÷íîì ãîðèçîíòàëüíîì ñëîå âèõðåâûõ âàëèêîâûõ ñòðóêòóð è èññëåäîâàëè èõ óñòîé÷èâîñòü îòíîñèòåëüíî ïðîñòðàíñòâåííûõ âîçìóùåíèé â íàêëîííîì ñëîå. Êëåâåð [3] ïîêàçàë, ÷òî èçìåíåíèåì ìàñøòàáà ìîæíî èç ðåøåíèÿ â áåñêîíå÷íîì ãîðèçîíòàëüíîì ñëîå ïîëó÷èòü ðåøåíèå â íàêëîííîì.  îãðàíè÷åííîì ñëîå ïîÿâëÿåòñÿ âëèÿíèå áîêîâûõ ñòåíîê, ïîä äåéñòâèåì êîòîðûõ êîíâåêòèâíûå âàëèêîâûå ñòðóêòóðû âûñòðàèâàþòñÿ êàê ïðàâèëî âäîëü êîðîòêîé ñòåíêè è â ñëó÷àå íàêëîíà äëèííîé ñòîðîíû íàçûâàþòñÿ ïîïåðå÷íûìè (ñàì ñëîé íàçûâàþò ïðè ýòîì ÏÐÎÄÎËÜÍÛÌ).  ñëó÷àå íàêëîíà êîðîòêîé ñòîðîíû ñëîÿ âàëèêè íàçûâàþòñÿ ïðîäîëüíûìè (à ñëîé ÏÎÏÅÐÅ×ÍÛÌ). Ê ñåðåäèíå 80-õ ãîäîâ ïîëó÷åí ðÿä ôîðìóë [4] äëÿ ðàñ÷åòà èíòåíñèâíîñòè òåïëîîáìåíà â ïîïåðå÷íûõ ñëîÿõ äëÿ ðàçëè÷íîãî äèàïàçîíà óãëîâ è ïîñòðîåíû êàðòû óñòîé÷èâîñòè òå÷åíèé ñ ó÷åòîì ãðàíè÷íûõ ñòåíîê [5].  áîëüøèíñòâå ðàáîò èññëåäîâàíèÿ êîíâåêöèè ïðîâîäèëèñü â ïîïåðå÷íûõ ñëîÿõ. Ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå ïðîäîëüíûõ ñëîåâ áûëî âûïîëíåíî â [6], à åãî ÷èñëåííàÿ ðåàëèçàöèÿ äàíà â [7]. Íè îäíà èç ðàáîò íå ñîäåðæàëà îïèñàíèå ýôôåêòà ãèñòåðåçèñà, îò÷åòëèâî ïðîÿâëÿþùåãîñÿ â ïëîñêîì òå÷åíèè [8,9]. Íàñòîÿùàÿ ðàáîòà íà îñíîâå ïðÿìîãî ÷èñëåííîãî ìîäåëèðîâàíèÿ èçó÷àåò ýòîò ýôôåêò, êîòîðûé âîçíèêàåò â ïðîäîëüíûõ ñëîÿõ. 1 ÑÅÐÅÄÈÍÍÎÅ ÑÅ×ÅÍÈÅ Y Ïðèìåðîì òå÷åíèÿ ãèñòåðåçèñíîãî òèïà ìîæåò ñëóæèòü êîíâåêöèÿ Ðýëåÿ-Áåíàðà, ñòðóêòóðà êîòîðîé â îãðàíè÷åííîé îáëàñòè ïðîñòðàíñòâà çàâèñèò îò íà÷àëüíûõ óñëîâèé çàäà÷è. Íèæå ïîñòðîåíû èçîïîâåðõíîñòè áåçðàçìåðíîé òåìïåðàòóðû ðàâíîé 0,5 äëÿ íóëåâûõ è åäèíè÷íûõ íà÷àëüíûõ óñëîâèé, íàêëàäûâàåìûõ íà òåìïåðàòóðó.  îáîèõ ñëó÷àÿ ïîâåðõíîñòü ñ è ì ì åò ð è ÷ í à î ò í î ñ è ò åë ü í à ï ë î ñ ê î ñ ò è ñåðåäèííîãî ñå÷åíèÿ. Èìåííî ñå÷åíèå â ýòîé ïëîñêîñòè è äàåò êâàçè-äâóìåðíóþ êàðòèíó êîíâåêòèâíûõ ñòðóêòóð. X Ïîìèìî íåìíîãî÷èñëåííûõ èññëåäîâàíèé â ïðîäîëüíûõ ñëîÿõ ñóùåñòâóåò ðÿä îáñòîÿòåëüñòâ, ñâÿçàííûõ ñ îãðàíè÷åíèÿìè ïðîâåäåííûõ èññëåäîâàíèé, êîòîðûå çàñòàâëÿþò âåðíóòüñÿ ê çàäà÷å î êîíâåêöèè â íàêëîííûõ ïîïåðå÷íûõ ñëîÿõ: ? óëó÷øåíèå ýêñïåðèìåíòàëüíûõ óñòàíîâîê, òðåáóþùåå íîâîãî àíàëèçà ïðîáëåìû [10]; ? óëó÷øåíèå âû÷èñëèòåëüíûõ âîçìîæíîñòåé ñîâðåìåííûõ êîìïüþòåðîâ; ? àíàëèç çàäà÷è äëÿ áîëüøåãî ÷èñëà ñðåä, â òîì ÷èñëå íàíîæèäêîñòåé; ? óìåíüøåíèå âåëè÷èíû øàãà ïî óãëó [10]. g Z Îïèñàíèå çàäà÷è h ? k= (sin j , cos j ,0) Ðåøàåòñÿ ¶ u Ra + uN u= N P+ D u+ Tk ¶ t Pr ¶ T 1 + uN T= N T ¶ t Pr div u = 0 u T P t Ra Pr 2 Ìîòèâàöèÿ – – – – – – áåçðàçìåðíûé âåêòîð ñêîðîñòè áåçðàçìåðíàÿ òåìïåðàòóðà áåçðàçìåðíîå äàâëåíèå áåçðàçìåðíîå âðåìÿ ÷èñëî Ðýëåÿ ïî âûñîòå X ÷èñëî Ïðàíäòëÿ Äëÿ íàãëÿäíîãî ïðåäñòàâëåíèÿ ñòðóêòóðû òå÷åíèÿ íèæå èçîáðàæåíû èçîëèíèè ôóíêöèè òîêà â ñåðåäèííîì ñå÷åíèè ïðè äâóõ ñöåíàðèÿõ ðàñ÷åòà. Ïåðâûé îñóùåñòâëÿëñÿ èç ãîðèçîíòàëüíîãî ïîëîæåíèÿ ñëîÿ ïóòåì ïîâîðîòà ïðîòèâ ÷àñîâîé ñòðåëêè ñ óâåëè÷åíèåì óãëà íàêëîíà íà 1° äî íàñòóïëåíèÿ ñòàöèîíàðíîãî ðåæèìà êîíâåêöèè. Ñòàöèîíàð ôèêñèðîâàëñÿ ïî íåèçìåííîìó çíà÷åíèþ ñðåäíåãî ÷èñëà Íóññåëüòà íà ãîðÿ÷åé ñòåíêå â òå÷åíèè 1 åäèíèöû áåçðàçìåðíîãî âðåìåíè. Âòîðîé ïðîâîäèëñÿ èç âåðòèêàëüíîãî ïîëîæåíèÿ ñëîÿ ñ óìåíüøåíèåì óãëà íàêëîíà íà 1°. Òàêèì îáðàçîì, ïðîáåãàëñÿ âåñü äèàïîçîí óãîëî îò 0° äî 90°. 90° 75° 60° 45° 30° 15° 0° 90° 75° çàäà÷à åñòåñòâåííîé êîíâåêöèè â 3-ìåðíîé ïðÿìîóãîëüíîé ÿ÷åéêå ñ îòíîøåíèåì ñòîðîí 4x1x0,5 ñ íàãðåòîé íèæíåé ñòåíêîé è îõëàæäàåìîé âåðõíåé. Âñå áîêîâûå ñòîðîíû òåïëîèçîëèðîâàíû. Óãîë íàêëîíà ÿ÷åéêè ê ãîðèçîíòó ìåíÿåòñÿ îò 0° (íàãðåâ ñíèçó) äî 90° (áîêîâîé ïîäâîä òåïëà). Øàã ïî óãëà ñîñòàâëÿåò 1°. Îïðåäåëÿþùèì ìàñøòàáîì äëèíû ÿâëÿåòñÿ h=1. Ðàñ÷åòû ïðîâåäåíû äëÿ: Pr=0,71, Ra=104-105. Ìåòîäèêà ðåøåíèÿ 3-ìåðíûå áåçðàçìåðíûå óðàâíåíèÿ êîíâåêöèè â ïðèáëèæåíèè Áóññèíåñêà ðåøàþòñÿ ìåòîäîì êîíå÷íûõ ðàçíîñòåé ñî âòîðûì ïîðÿäêîì òî÷íîñòè ïî ïðîñòðàíñòâåííûì ïåðåìåííûì è òðåòüèì ïîðÿäêîì òî÷íîñòè ïî âðåìåíè. Øàã ïî âðåìåíè âûáèðàåòñÿ àâòîìàòè÷åñêè. Ïîäðîáíîå îïèñàíèå ÷èñëåííîé ñõåìû ïðåäñòàâëåíî â ðàáîòå [6]. Òåñòèðîâàíèå äàííîé ñõåìû äëÿ ïîñòàâëåííîé çàäà÷è ïðîâåäåíî â ðàáîòå [7]. Çàäà÷à ðåøàåòñÿ íà ðàâíîìåðíîé ñåòêå 80x20x10, ÷òî äîñòàòî÷íî äëÿ êà÷åñòâåííîãî èçó÷åíèÿ ÿâëåíèÿ ãèñòåðåçèñà è áèôóðêàöèé. 3 Ðàçëè÷èå îáðàçóþùèõñÿ ñòðóêòóð íåìèíóåìî ïðèâîäèò ê èçìåíåíèþ òåïëîîáìåííûõ õàðàêòåðèñòèê. Íàëè÷èå íåñêîëüêèõ ëîêàëüíûõ ìèíèìóìîâ, êàê è â ñëó÷àå «ïîïåðå÷íûõ» ÿ÷ååê (ãäå íàáëþäàåòñÿ îäèí ìèíèìóì), óêàçûâàåò íà ïðåâàëèðîâàíèè îäíîé ôîðìû äâèæåíèÿ (ëèáî ìåäëåííîå ïîëçó÷åå, ëèáî ÿ÷åéêîâîå) íàä äðóãîé, à íå ñóïåðïîçèöèÿ òàêîâûõ. Ïðè÷åì èçìåíåíèå ñðåäíåãî ÷èñëà Íóññåëüòà ïðîèñõîäèò íå ïëàâíî, à ñêà÷êîì, ÷òî óêàçûâàåò íà íàëè÷èå ïîðîãîâîãî çíà÷åíèÿ óãëà íàêëîíà áèôóðêàöèè, ÷åãî íå áûëî äëÿ ïîïåðå÷íûõ ñëîåâ. Òàêèì îáðàçîì â ñëó÷àå ïðåâàëüèðîâàíèÿ îäíîé ôîðìû òå÷åíèÿ íàä äðóãîé â îêðåñòíîñòè ýòîãî óãëà ïðîèñõîäèò áîðüáà äâóõ ìåõàíèçìîâ, áîëåå óñòîé÷èâûì èç êîòîðûõ îêàçûâàåòñÿ ïîäúåìíî-îïóñêíîé. 60° 45° 30° 15° 0° ÃÈÑÒÅÐÅÇÈÑ ñâîéñòâî êîíâåêòèâíîãî òå÷åíèÿ, êîòîðîå óñòàíàâëèâàåò çàâèñèìîñòü áèôóðêàöèé îò òåêóùåãî êîíâåêòèâíîãî ðåæèìà 1 1 3 5 6 Ðàñ÷åòíûå ôîðì óëû, ïîëó÷åííûå äëÿ «ïîïåðå÷íûõ» ñëîåâ óæå íå ìîãóò áûòü ïîëó÷åíû ïðîñòûì ïîâîðîòîì ñëîÿ â ýêñïåðèìåíòàëüíûõ óñòàíîâêàõ, ïîñêîëüêó äëÿ êàæäîãî óãëà íàêëîíà ìû èìååì äâà, à âåðîÿòíåå âñåãî è áåñêîíå÷íî ìíîãî êðèâûõ èíòåíñèâíîñòè òåïëîîáìåíà, çàâèñÿùèõ îò í à÷ à ë ü í û õ óñ ë î â è é . Ä ë ÿ õà ð à ê òå ð è ñ ò è ê è òåïëîîáìåíà íåîáõîäèìî, â òàêîì ñëó÷àå, óñòàíîâèòü ìàêñèìàëüíîå è ìèíèìàëüíîå çíà÷åíèÿ â êîòîðûõ êîëåáëåòñÿ ñîîòâåòñâóþùàÿ âåëè÷èíà, à òàêæå “ïóòè” (ñöåíàðèè ýêñïåðèìåíòà) äîñòèæåíèÿ ýòèõ çíà÷åíèé. Êðîìå òîãî, âñëåäñòâèå ðåçêîãî èçìåíåíèÿ êîíâåêòèâíîãî ðåæèìà òåðÿåòñÿ ãëàäêîñòü è äëÿ ôóíêöèè ñðåäíåãî ÷èñëà Íóññåëüòà â çàâèñèìîñòè îò ÷èñëà Ðýëåÿ. Ýòî õîðîøî âèäíî äëÿ óãëà â 15° ãðàäóñîâ íà ãðàôèêå. 3 Ñëåâà èçîáðàæåíà êàðòà ðåæèìîâ ïðè óâåëè÷åíèè óãëà íàêëîíà, ñïðàâà ïðè óìåíüøåíèè. Öèôðàìè îáîçíà÷åíî êîëè÷åñòâî ÿ÷ååê, à òî÷êàìè ìîìåíòû áèôóðêàöèé. Ýòè ìîìåíòû îòëè÷àþòñÿ ïðè ðàçíîì ñöåíàðèè ïîâîðîòà ñëîÿ. Îòñþäà ñëåäóåò, ÷òî àíàëèç óñòîé÷èâîñòè ñòàöèîíàðíîãî òå÷åíèÿ òðåáóåò ó÷åòà íà÷àëüíûõ óñëîâèé. 4 Çàêëþ÷åíèå Ìåòîäîì ïðÿìîãî ÷èñëåííîãî ìîäåëèðîâàíèÿ ïðîèçâåäåíû ðàñ÷åòû ïðîñòðàíñòâåííûõ êîíâåêòèâíûõ òå÷åíèé â íàêëîííîì çàìêíóòîì ñëîå ïðÿìîóãîëüíîé ôîðìû. Ðàáîòó îòëè÷àåò ìàëûé øàã èçìåíåíèÿ óãëà íàêëîíà ñëîÿ, ðàâíûé 1°. Ïîëó÷åíû êàðòèíû òå÷åíèé è õàðàêòåðèñòèêè òåïëîîáìåíà. Îáíàðóæåíû òå÷åíèÿ ãèñòåðåçèñíîãî òèïà, ÷òî íå íàáëþäàëîñü â ýêñïåðèìåíòàõ ñ ïîïåðå÷íûìè ñëîÿìè. Íàéäåíû òî÷êè áèôóðêàöèé êîíâåêòèâíûõ ïîòîêîâ, íà îñíîâå êîòîðûõ ïîñòðîåíà êàðòà ðåæèìîâ. Ïîêàçàíà çàâèñèìîñòü èíòåíñèâíîñòè òåïëîîáìåíà îò ïðåäûñòîðèè ïîòîêà. Çàìå÷åíà ðàçíèöà â ðåçêîé ñìåíå õàðàêòåðà ðåæèìà òå÷åíèÿ, îáóñëîâëåííàÿ ñìåíîé êîíâåêòèâíûõ ñòðóêòóð â îòëè÷èå îò ïëàâíîãî ïåðåõîäà â ïîïåðå÷íûõ ñëîÿõ. Îáíàðóæåíû êîëåáàòåëüíûå ðåæèìè êîíâåêöèè íà ãðàíèöå ñìåíû ðåæèìîâ.  ðàáîòå íå èññëåäîâàëîñü âëèÿíèå îãðàíè÷èâàþùèõ ñòåíîê, îïðåäåëÿþùèõ ðåæèì êîíâåêöèè, âûçûâàþùèõ ñëîæíóþ ïðîñòðàíñòâåííóþ òðàåêòîðèþ äâèæåíèÿ ÷àñòèö, à òàêæå âëèÿíèå óäëèíåíèÿ ñëîÿ. Àâòîð ðàáîòû âûðàæàåò áëàãîäàðíîñòü Âàäèìó Èâàíîâè÷ó Ïîëåæàåâó çà òåìàòè÷åñêèå çàìå÷àíèÿ è Íèêîëàþ Âàñèëüåâè÷ó Íèêèòèíó çà êîíñóëüòàöèþ ïî ìåòîäèêå ðàñ÷åòîâ. Ðàáîòà âûïîëíåíà ïðè ïîääåðæêå Ðîññèéñêîãî ôîíäà ôóíäàìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé (ãðàíò 12-08-000034). Ëèòåðàòóðà 1. J.E. Hart. Stability of the flow in a differentally heated inclened box // J. Fluid Mech. 47, 547-576 (1971). 2. Ãåðøóíè Ã.Ç., Æóõîâèöêèé Å.Ì., Íåïîìíÿùèé À.À. Óñòîé÷èâîñòü êîíâåêòèâíûõ òå÷åíèé. Ì.: Íàóêà. Ãë. ðåä. Ôèç-ìàò. ëèò., 1989. 320 c. 3. Êëåâåð. Ïðîäîëüíûå âèõðè â íàêëîííîì ñëîå æèäêîòè ïðè êîíå÷íîé àìïëèòóäå âîçìóùåíèéÿ // Òð. Àìåðèê. î-âà èíæ.-ìåõàí. Ñåð. Ñ. Òåïëîïåðåäà÷à, 1973, ò.95, ¹3. 4. H. Inaba. Experimental study of natural convection in an inclined air layer // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1984. V.27(8). p.1127-1139. 5. K. R. Kirchartz, H. Oertel Jr. Three-dimensional thermal cellular convection in rectangular boxes // Journal of Fluid Mechanics, 192:249–286, July 1988. 6. Ñèìîíñ, Ïåê. Òåïëîîòäà÷à ïðè ñâîáîäíîé êîíâåêöèè ÷åðåç íàêëîííûå ïðîäîëüíûå ùåëè // Òåïëîïåðåäà÷à, 106(4), 1984, 131-137. 7. Q. Yang, K.T. Yang, J.R. Lloyd. Flow transition in laminar buoyant flow in a threedimensional tilted rectangular enclosure // Proc. 8th Znt. Heat Transfer Co&San Francisco; California, Vol. 4, pp. 1495-1500 (1986). 5  íåêîòîðûõ ñèòóàöèÿõ ïåðåõîä ìåæäó ð åæ è ì à ì è ï ð è âîä è ë ê ï î ÿ âë å í è þ ïåðèîäè÷åñêèõ êîëåáàíèé ñðåäíåãî ÷èñëà Íóññåëüòà, ÷òî ÿâëÿåòñÿ ñëåäñòâèåì êîëåáàòåëüíîãî ðåæèìà êîíâåêöèè. Èç-çà áîëüøîé àìïëèòóäû êîëåáàíèé (ïîðÿäêà 0,15 ïî ÷èñëó Íóññåëüòà) äàííîå îáñòîÿòåëüñòâî âðÿä ëè ìîæíî ñ÷èòàòü ñëåäñòâèåì ÷èñëåííîé ñõåìû, ÷òî òåì íå ìåíåå íóæäàåòñÿ â äîïîëíèòåëüíîé ïðîâåðêå. Íà ãðàôèêå ñëåâà ïîêàçàí íàãëÿäíûé ïðèìåð “áîðüáû” äâóõ ðåæèìîâ ïðè óâåëè÷åíèè óãëà ñ 23° äî 24° ïðè Ra=63000. 6 8. Soong C.Y., Tzeng P.Y., Chiang D.C., Sheu T.S. Numerical study on modetransition of natural convection in differentially heated inclined enclosures // Int J Heat Transfer 1996;39(14):2869–82. 9. Ä.Å. Ïèâîâàðîâ, Â.È. Ïîëåæàåâ. Ñòðóêòóðû òå÷åíèÿ è îñîáåííîñòè òåïëîîáìåíà ïðè ñâîáîäíîé êîíâåêöèè â íàêëîííûõ ñëîÿõ // Òðóäû XVII Øêîëû-ñåìèíàðà ìîëîäûõ ó÷åíûõ è ñïåöèàëèñòîâ ïîä ðóêîâîäñòâîì à ê à ä å ì è ê à ÐÀ Í À . È . Ë å î í ò ü å âà « Ï ð î áë å ì û ãàçîä è í à ì è ê è è òåïëîìàññîîáìåíà â àýðîêîñìè÷åñêèõ òåõíîëîãèÿõ». 25-29 ìàÿ 2009 ã., ã. Æóêîâñêèé.  2 òîìàõ. – Ì.: Èçäàòåëüñêèé äîì ÌÝÈ, 2009. ò.2 c.113-116. 10.K.E. Daniels, B.B. Plapp, E. Bodenschatz. Pattern formation in inclined layer convection // Physical Review Letters, 84:5320–5323, June 5 2000. 11.N. Nikitin. Finite-difference method for incompressible Navier-Stokes equations in arbitrary orthogonal curvilinear coordinates // Journal of Computational Physics. 2006. V.217(2). p.759-781. 12.Ä.Å. Ïèâîâàðîâ. Ìîäåëèðîâàíèå òðåõìåðíûõ âíóòðåííèõ êîíâåêòèâíûõ òå÷åíèé // Ïðîáëåìû ãàçîäèíàìèêè è òåïëîîáìåíà â íîâûõ ýíåðãåòè÷åñêèõ òåõíîëîãèÿõ: Òåçèñû äîêëàäîâ XVIII Øêîëû-ñåìèíàðà ìîëîäûõ ó÷åíûõ è ñïåöèàëèñòîâ ïîä ðóêîâîäñòâîì àêàä. ÐÀÍ À.È. Ëåîíòüåâà (23-27 ìàÿ 2011 ã., Çâåíèãîðîä). – Ì.: Èçäàòåëüñêèé äîì ÌÝÈ, 2011. –424 ñ. Ïèâîâàðîâ Ä.Å., Èíñòèòóò ïðîáëåì ìåõàíèêè èì. À.Þ. Èøëèíñêîãî ÐÀÍ, ëàáîðàòîðèÿ ìåõàíèêè ñëîæíûõ æèäêîñòåé 119526, ã. Ìîñêâà, ïð. Âåðíàäñêîãî ä.101 êîðï.1. E-mail: pivovar@ipmnet.ru. WWW: http://ipmnet.ru/~pivovar