【摘 要】
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热毛细力和浮升力耦合驱动的Rayleigh-Bénard-Marangoni（R-B-M）对流是一种广泛存在于工业生产及日常生活中的自然现象,在这种相对简单的物理系统内出现的丰富多样的流动结构和复杂多变的流型演变规律一直是很多学者研究的热点。目前,对于R-B-M对流的研究主要针对的是密度随温度呈线性变化的常规流体,而对于具有密度极值的非常规流体R-B-M对流的研究较少。因此,本文采用三维数值模拟方
【基金项目】
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国家自然科学基金青年科学基金项目,具有密度极值流体 Rayleigh-Bénard-Marangoni 对流传热特性研究,编号:51706213.
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热毛细力和浮升力耦合驱动的Rayleigh-Bénard-Marangoni（R-B-M）对流是一种广泛存在于工业生产及日常生活中的自然现象,在这种相对简单的物理系统内出现的丰富多样的流动结构和复杂多变的流型演变规律一直是很多学者研究的热点。目前,对于R-B-M对流的研究主要针对的是密度随温度呈线性变化的常规流体,而对于具有密度极值的非常规流体R-B-M对流的研究较少。因此,本文采用三维数值模拟方法对圆柱形腔体内具有密度极值的冷水R-B-M对流进行了系统研究,确定了对流发生的临界条件和临界流型,得到了不同Biot（Bi）数、密度倒置参数Θm和径深比Г下圆柱形液池内冷水R-B-M对流的一次分岔流动结构和流型演变规律,分析了各种因素对传热特性的影响。主要结论如下:（1）冷水R-B-M对流流动发生的临界Rayleigh（Ra）数与密度倒置参数Θm、径深比Г及Bi数有关。随着Bi数的增加、径深比Г的增大及密度倒置参数Θm的降低,流动发生的临界Ra数都会减小。流动发生的临界流型为多胞状流动结构,随着径深比Г的增大,流胞数量增多。（2）随着Ra数的增大,冷水R-B-M流动结构会发生转变。当径深比Г较小时,冷水导热态一次分岔流动结构为多胞状流动,继而出现多边形流胞,最后转变为同心圆环状。当径深比Г较大时,一次分岔流动为多胞状流动结构,流胞数量随Ra数的增大而减少,流动增强,流胞相互融合。冷水R-B-M对流流型转变存在滞后现象,在相同的Ra数下可以观察到多个流型。（3）随着Bi数的增大,液层与外部环境之间的对流换热增强,表面温度分布更加均匀,热毛细力作用减弱;液层轴向温度梯度增加,浮升力作用增强。浮力和热毛细力的耦合驱动力先增强、后减弱,耦合驱动力存在一个极大值,此时液池内流动最强,换热性能最佳。（4）热壁平均Nusselt（Nu）数与Ra数、密度倒置参数Θm和径深比Г有关。随着Ra数的增大,平均Nu数单调增加;随着密度倒置参数Θm的减小及径深比Г的增大,平均Nu数将增大。
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