Получение и сравнение расчетных и экспериментальных голографических интерферограмм для описания квази-2D конвективного течения прозрачной газовой смеси
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2025.18.2.16Ключевые слова:
свободная конвекция, голографическая интерферометрия, метод сеток, 2D течениеАннотация
Выполненное численное моделирование представляет собой методологическую и доказательную основу проведенных ранее экспериментов по стационарной термоконцентрационной конвекции в газовых смесях сухого воздуха и паров ундекана или воды. Экспериментальные данные получены двумя способами: термопарный метод применен для измерения данных количественного описания теплового потока, а голографическая интерферометрия - для наглядного изображения движения прозрачной газовой смеси (как альтернатива цифровой трассерной визуализации (PIV)). Конвекция, обусловленная одновременным действием градиентов концентрации пара и температуры, описывается отношением концентрационного и теплового чисел Рэлея для газовой смеси при одинаковой средней температуре. Количественные данные термопарных измерений интерпретируются в предположении об одновихревом квази-2D течении в прямоугольной конвективной ячейке размерами 15х´´15х320 мм. Целью работы является проверка и обоснование течения ожидаемого вида путем сравнения экспериментальных и расчетных интерферограмм (поверхностей показателя преломления света), установленных в результате численного моделирования тепловой конвекции сухого воздуха. Граничные условия и геометрия задачи идентичны условиям эксперимента. Уравнения тепловой конвекции в приближении Буссинеска записываются согласно двухполевому подходу. Система дифференциальных уравнений решается методом сеток посредством программы, написанной авторами на языке Python. Экспериментальные интерферограммы обработаны вручную в графическом редакторе LibreOffice Draw. Сделано прямое сравнение около полусотни пар совпадающих экспериментальных и расчетных интерферограмм отвечающих одинаковым значениям температур нагревателя и холодильника ячейки. Прямое сравнение расчетных и измеренных данных подтвердило прогноз образования одновихревого квази-2D конвективного течения газа.
Скачивания
Библиографические ссылки
Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981. 416 с.
Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. М.: Наука, 1972. 392 с.
Тюлькина И.В., Голдобин Д.С. Синхронизация конвективных течений двухкомпонентной жидкости в смежных ячейках пористой среды // Вестник Пермского университета. Физика. 2023. № 2. C. 59–68. DOI: 10.17072/1994-3598-2023-2-59-68
Théry A., Le Nagard L., Ono-dit-Biot J.-C., Fradin C., Dalnoki-Veress K., Lauga E. Self-organisation and convection of confined magnetotactic bacteria // Scientific Reports. 2020a. Vol. 10. 13578. DOI: 10.1038/s41598-020-70270-0
Denisova M.O., Kostarev K.G. The effect of Marangoni convection on mass transfer in a rising droplet with surface reaction // Journal of Physics: Conference Series. 2022a. Vol. 2317. 012023. DOI: 10.1088/1742-6596/2317/1/012023
Марышев Б.С. Концентрационная конвекция в замкнутой области пористой среды при заданном вертикальном перепаде концентрации и учете иммобилизации примеси // Вычислительная механика сплошных сред. 2024. Т. 17, № 1. C. 60–74. DOI: 10.7242/1999-6691/2024.17.1.6
Байдулов В.Г., Матюшин П.В., Чашечкин Ю.Д. Эволюция течения, индуцированного диффузией на сфере, погруженной в непрерывно стратифицированную жидкость // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. 2007. № 2. C. 119–132.
Kozlov V., Rysin K., Vjatkin A. Thermal Vibrational Convection in a Rotating Plane Layer // Microgravity Science and Technology. 2022a. Vol. 34. 62. DOI: 10.1007/s12217-022-09975-y
Козлов Н.В. Прямое численное моделирование конвекции двойной диффузии при вибрациях // Вычислительная механика сплошных сред. 2023. Т. 16, № 3. C. 277–288. DOI: 10.7242/1999-6691/2023.16.3.24
Денисова М.О., Зуев А.Л., Костарев К.Г. Колебательные режимы концентрационной конвекции // Успехи физических наук. 2022. Т. 192, № 8. C. 817–840. DOI: 10.3367/UFNr.2021.07.039030
Turner J.S. Salt fingers across a density interface // Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1967a. Vol. 14, no. 5. P. 599–611. DOI: 10.1016/0011-7471(67)90066-6
Aleksandrov I.S., Gerasimov A.A., Grigor’ev B.A. Using fundamental equations of state for calculating the thermodynamic properties of normal undecane // Thermal Engineering. 2011a. Vol. 58. P. 691–698. DOI: 10.1134/S0040601511080027
Somov S.A., Ivanov A.S. Experimental study of thermoconcentration convection in air–water and air–undecane mixtures // Physics of Fluids. 2024a. Vol. 36, no. 10. 104104. DOI: 10.1063/5.0222889
Somov S.A., Ivanov A.S. Experimental Setup for Studying Thermosolutal Convection in Moist Air // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019a. Vol. 581. 012016. DOI: 10.1088/1757-899X/581/1/012016
Somov S.A., Ivanov A.S. Experimental Study of Dehumidified Air Convection by Holographic and Thermocouple Methods // Journal of Physics: Conference Series. 2021a. Vol. 1945. 012055. DOI: 10.1088/1742-6596/1945/1/012055
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986. 736 с.
Silveston P.L. Wärmedurchgang in waagerechten Flüssigkeitsschichten // Forschung auf dem Gebiet des Ingenieurwesens A. 1958a. Vol. 24. P. 59–69. DOI: 10.1007/BF02557095
Шапошников И.Г. К теории конвективных явлений в бинарной смеси // Прикладная математика и механика. 1953. Т. 17. C. 604–606.
Пшеничников А.Ф., Пинягин А.Ю., Полежаев В.И., Федюшкин А.И., Шайдуров Г.Ф. Термоконцентрационная конвекция в прямоугольной области при боковых потоках тепла и массы: тех. отч. / УНЦ АН СССР. Свердловск, 1985. C. 53.
Corvaro F., Paroncini M. A numerical and experimental analysis on the natural convective heat transfer of a small heating strip located on the floor of a square cavity // Applied Thermal Engineering. 2008a. Vol. 28, no. 1. P. 25–35. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2007.03.018
Corvaro F., Paroncini M. An experimental study of natural convection in a differentially heated cavity through a 2D-PIV system // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009a. Vol. 52, no. 1/2. P. 355–365. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2008.05.039
Васильев А.Ю., Попова Е.Н., Сухановский А.Н. Структура течений в лабораторной модели общей циркуляции атмосферы // Вычислительная механика сплошных сред. 2023. Т. 16, № 3. C. 321–330. DOI: 10.7242/1999-6691/2023.16.3.27
Хауф В., Григуль У. Оптические методы в теплопередаче. М.: Изд-во «Мир», 1973. 240 с.
Тарунин Е.Л. Вычислительный эксперимент в задачах свободной конвекции. Иркутск: Изд-во Иркутского Университета, 1990. 228 с.
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2025 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
