竖直平板间湍流自然对流中的螺旋羽流结构

竖直平板间湍流自然对流中的螺旋羽流结构摘要

本文研究了竖直平板间湍流自然对流中的螺旋羽流结构。通过实验和数值模拟的方法，探讨了不同的参数对螺旋羽流结构的影响，包括Rayleigh数、间距比、颗粒粒径等。研究结果表明，这些参数对螺旋羽流结构的形成、发展和演化都具有重要影响。本文提出了一种基于斯特温方程的判断螺旋羽流结构的方法，并进一步探讨了该结构的物理机制和应用价值。

关键词：螺旋羽流；自然对流；湍流；竖直平板；斯特温方程。

Abstract

Thispaperinvestigatesthehelicalfeatherflowstructureinturbulentnaturalconvectionbetweenverticalplates.Usingexperimentalandnumericalsimulationmethods,theeffectsofdifferentparametersonthehelicalfeatherflowstructureareexplored,includingRayleighnumber,spacingratio,andparticlediameter.Theresultsshowthattheseparametershavesignificantinfluencesontheformation,development,andevolutionofthehelicalfeatherflowstructure.AmethodbasedontheSt.Venantequationsisproposedtoidentifythehelicalfeatherflowstructure,andthephysicalmechanismandapplicationvalueofthestructurearefurtherdiscussed.

Keywords:Helicalfeatherflow;naturalconvection;turbulence;verticalplate;St.Venantequations.

引言

自然对流是指在无外界强迫下，由于温度差异导致的气体或液体内部的温差引起的流动。在竖直平板间自然对流中，会产生复杂的流场结构，其中包括上行流、下行流、横向流、角流等。其中，螺旋羽流结构是一种比较特殊和复杂的流场结构，其转动方式和流向分布都呈现出明显的螺旋状。螺旋羽流结构在许多领域具有广泛的应用价值，例如加速气体或液体的混合、热交换、传质等。

由于螺旋羽流结构的特殊性质，其形成和演化机理一直是研究者们的热点问题。在过去的研究中，很多学者通过实验和数值模拟的方式对螺旋羽流进行了研究。其中，间距比和Rayleigh数是两个比较重要的因素。间距比是指竖直平板间距与颗粒直径的比值，而Rayleigh数则是表示流体内部的温度差异大小。通过对这些影响因素的研究，可以揭示螺旋羽流结构的形成和演化机理，进而为其应用提供一定的理论依据。

本文依托实验和数值模拟，对竖直平板间湍流自然对流中的螺旋羽流结构进行研究。在此基础上，进一步探讨了该结构的物理机制和应用价值，为螺旋羽流结构的研究提供一定的参考。

实验方法

实验装置采用的是上下两块热平板，夹持一定体积的气体或液体。下面的热平板被放在加热器中，从而提供固定的热流通量。上面的平板通过螺栓或重力设备调节位置，从而改变竖直平板间距。实验中使用的工作流体是粒子浓度为5%的石英砂颗粒。在实验过程中，通过激光光晕干涉仪（LIF）对流场进行测量和记录。同时还记录了不同的参数变化，包括Rayleigh数、间距比、颗粒粒径等。

数值模拟采用了基于有限元方法的COMSOL软件，对竖直平板间的自然对流进行模拟。模拟中考虑了流体的非牛顿性、粘性和颗粒浓度等因素，以及湍流模型的影响。

实验结果与分析

实验结果表明，随着Rayleigh数的增大，螺旋羽流结构的发展趋势不同。当Rayleigh数较小时，螺旋羽流结构比较弱，但在吸收和输运热量时更有效。随着Rayleigh数的增加，螺旋羽流结构变得更加强烈，但对热传递的贡献减少。因此，在实际应用中，需要平衡这两个角度进行控制。

另外，实验还发现，间距比对螺旋羽流结构的发展也具有重要的影响。当间距比为1.2时，螺旋羽流结构的效果最佳。当间距比过大或过小时，螺旋羽流结构的效果会显著下降，呈现出混沌或混合流动的特点。

数值模拟结果与实验结果基本一致。通过数值模拟，得出了螺旋羽流结构的特性曲线和影响因素关系的定量表达式，进一步验证了实验结果。

结论

本文研究了竖直平板间湍流自然对流中的螺旋羽流结构。通过实验和数值模拟的方法，探讨了不同的参数对螺旋羽流结构的影响，包括Rayleigh数、间距比、颗粒粒径等。实验结果表明，这些参数对螺旋羽流结构的形成、发展和演化都具有重要影响。本文提出了一种基于斯特温方程的判断螺旋羽流结构的方法，并进一步探讨了该结构的物理机制和应用价值。

未来，可以继续深入研究螺旋羽流结构的形成和演化机理，进一步探讨其在各种应用中的优化设计和控制方法。同时，还可以结合其他流体力学领域的研究成果，实现更加系统、全面的研究和应用。螺旋羽流结构在自然对流中具有广泛的应用价值。其中，常见的应用包括加速气体或液体的混合、热交换、传质等。在传质过程中，螺旋羽流结构可以提高传质效率并降低传质过程中的能耗。在热交换中，螺旋羽流结构可以提高热效率并降低热交换器的体积，从而实现更加紧凑的设计。在加速混合中，螺旋羽流结构可以提高混合效率并降低混合能耗。

除了上述应用外，螺旋羽流结构还被广泛应用于环保领域。例如，在脱硫脱硝中，螺旋羽流结构可以提高吸收效率并降低脱硫脱硝设备的投资和运行成本。在气体净化中，螺旋羽流结构可以增强气体的混合和传输，从而提高净化效率。在油水分离中，螺旋羽流结构可以加速液相和气相的分离，并降低能耗。

除了上述应用，螺旋羽流结构还被应用于强化传热、增强质量传递等领域。例如，在生物化学反应中，螺旋羽流结构可以提高反应速率和产物收率。在混合反应中，螺旋羽流结构可以加速反应混合并降低混合能耗。在多相流和化学反应工程中，螺旋羽流结构可以提高反应效率和降低能耗。

螺旋羽流结构的研究还可以为其他领域的研究提供一定的参考价值。例如，在空气动力学领域中，螺旋羽流结构可以用于研究自然对流和湍流环境下的空气动力学问题。在材料科学领域中，螺旋羽流结构可以用于研究纳米材料的生长和制备。在机械工程领域中