Конвективная турбулентность в кубической полости при неоднородном нагреве нижней границы

Аннотация

Проблема интенсификации теплообмена при помощи неоднородных по пространству граничных условий представляет большой интерес. В данной работе исследуется влияние неоднородного непериодического распределения нагрева на структуру течения и конвективный теплопоток для существенно турбулентных режимов (Ra = 1,1·10⁹). Численное моделирование конвективной турбулентности в кубической полости при неоднородном распределении нагрева на ее нижней границе выполнено с помощью открытого программного обеспечения OpenFoam 4.1. Представлены результаты для трех вариантов распределения областей нагрева, реализованного при помощи: локализованного нагревателя; девяти нагревателей одинакового размера, равноудаленных друг от друга; фрактального нагревателя. Во всех вариантах площадь нагрева одинакова. Обнаружено, что в случае неоднородного распределения нагреваемых областей в полости формируется крупномасштабная циркуляция, динамика и структура которой зависит от распределения температуры на ее нижней границе. Выявлены спонтанные переориентации плоскости крупномасштабной циркуляции на угол ±45° или ±90°. Проведено сравнение интенсивности теплового потока через слой (полость) при фиксированном перепаде температуры на горизонтальных границах. Интенсивность теплообмена слабо зависит от распределения температуры на нижней границе. Максимальное отличие в значениях числа Нуссельта при трех вариантах неоднородного распределения температуры не превышает 5%. Сравнение результатов численного моделирования при однородном и неоднородном распределениях нагрева для Ra = 1,1·10⁹показало, что уменьшение площади нагрева на 70% приводит к снижению значения числа Нуссельта на 10%. Обнаружено, что с уменьшением площади нагрева величина потока тепла тоже падает, причем непропорционально ее изменению при фиксированных температурах в областях нагрева и охлаждения. Для практических приложений важную роль играет стабильность теплового потока, которая характеризуется отсутствием пульсаций. Установлено, что использование фрактального нагрева позволяет значительно снизить уровень пульсаций теплопотока без потери эффективности теплопереноса.