Двумерные и квазидвумерные расчеты турбулентной конвекции в вертикальных слоях
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2012.5.4.48Ключевые слова:
конвекция, турбулентность, тонкие слои, прямое численное моделированиеАннотация
Численно исследована турбулентная конвекция Релея–Бенара в ограниченном твердыми стенками вертикальном слое размерами 1×Г×1 (Г – аспектное отношение, характеризующее толщину слоя) в рамках двумерной (2D) и квазидвумерной (Q2D) постановок. Основные расчеты выполнены для числа Релея Ra=2,2·109и числа Прандтля Pr=7. Проведено сравнение с результатами экспериментальных исследований турбулентной конвекции, возникающей в заполненной водой и подогреваемой снизу полости размерами 250× d ×250 мм3(размер d варьировался от 15 до 50 мм). Показано, что при аспектном отношении Г≤0,1 даже в рамках грубой модели линейного трения, использовавшейся в Q2D расчетах, учет трения на боковых границах позволяет получить реалистичную структуру турбулентного потока. При этом Q2D модель не только правильно описывает динамику крупномасштабного течения в слое, но и воспроизводит структуру распределения спектральной плотности энергии пульсаций скорости.
Скачивания
Библиографические ссылки
Фрик П.Г. Турбулентность: подходы и модели. – М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2010. – 332 с.
2. Benzi R., Paladin G., Patarnello S., Santangelo P., Vulpiani A. Intermittency and coherent structures in two-dimensional turbulence // J. Phys. A: Math. Gen. – 1986. – V. 19, N. 18. – P. 3771-3784. DOI
3. Babiano A., Basdevant C., Legras B., Sadourny R. Vorticity and passive-scalar dynamics in two-dimensional turbulence // J. Fluid Mech. – 1987. – V. 183. – P. 379-397. DOI
4. Kaneda Y., Ishihara T., Yokokawa M., Itakura K., Uno A. Energy dissipation rate and energy spectrum in high resolution direct numerical simulations of turbulence in a periodic box // Phys. Fluids. – 2003. – V. 15. – P. L21-L24. DOI DOI
5. Обухов A.M. О влиянии архимедовых сил на структуру температурного поля в турбулентном потоке // ДАН СССР. – 1959. – Т. 125, № 6. – С. 1246–1248.
6. Bolgiano R. Turbulent spectra in a stably stratified atmosphere // J. Geophys. Res. – 1959. – V. 64, N. 12. – P. 2226-2229. DOI
7. Lohse D., Xia K.-Q. Small-scale properties of turbulent Rayleigh-Benard convection // Annu. Rev. Fluid Mech. – 2010. – V. 42. – P. 335-364. DOI
8. Sugiyama K., Ni R., Stevens R.J.A.M. et al. Flow reversals in thermally driven turbulence // Phys. Rev. Lett. – 2010. – V. 105, N. 3. – 034503-034506. DOI
9. Аристов С.Н., Фрик П.Г. Крупномасштабная турбулентность в тонком слое неизотермической вращающейся жидкости // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. – 1988. – Т. 4. – C. 48-55.
10. Аристов С.Н., Фрик П.Г. Крупномасштабная турбулентность в конвекции Релея-Бенара // Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа. – 1989. – № 5. – C. 43-48.
11. Sommeria J. Experimental study of the two-dimensional inverse energy cascade in a square box // J. Fluid Mech. – 1986. – V. 170. – P. 139-168. DOI
12. Баранников В.А., Фрик П.Г., Шайдуров В.Г. Спектральные характеристики двумерной турбулентной конвекции в вертикальной щели // ПМТФ. – 1988. – № 2. – C. 42-46.
13. Аристов С.Н., Фрик П.Г. Нелинейные эффекты влияния экмановского слоя на динамику крупномасштабных вихрей в мелкой воде // ПМТФ. – 1991. – № 2. – C. 49-54.
14. Шварц К.Г., Шкляев В.А. Численное моделирование атмосферных мезомасштабных процессов переноса многокомпонентной примеси при торфяном пожаре // Вычисл. мех. сплош. сред. – 2012. – Т. 5, № 3. – С. 274-283.
15. Должанский Ф.В., Крымов В.А., Манин Д.Ю. Устойчивость и вихревые структуры квазидвумерных сдвиговых течений // УФН. – 1990. – Т. 160, № 7. – С. 1-47.
16. Васильев А.Ю., Фрик П.Г. Инверсии крупномасштабной циркуляции при турбулентной конвекции в прямоугольных полостях // Письма в ЖЭТФ. – 2011. – T. 93, № 6. – C. 363-367.
17. Patankar S.V. Numerical heat transfer and fluid flow. – Washigton: McGrаw-Hill, Hemisphere Publishing Corporation, 1980. – 197 p.
18. Ferziger J.H., Peric M. Computational methods for fluid dynamics. – Berlin: Springer Verlag, 2002. – 423 p.
19. Balay S., Brown J., Buschelman K. et al. PETSc users manual: Rep.: ANL-95/11 – Revision 3.3. – Argonne National Laboratory, 2012. http://www.mcs.anl.gov/petsc/petsc-current/docs/manual.pdf (дата обращения: 01.12.2012).
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2012 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.