Конвекция в замкнутой полости при наличии в ней крупного тела нейтральной плавучести
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2025.18.4.27Ключевые слова:
тепловая конвекция, прямое численное моделирование, свободноплавающее телоАннотация
Проведено численное исследование конвекции Релея--Бенара в квадратной ячейке при наличии достаточно крупного теплоизолирующего тела нейтральной плавучести для двух умеренных значений числа Релея Ra=105 и Ra=106. Основное внимание уделено изменению динамики тела и конвективных течений при существенном увеличении размера тела. В отсутствие тела в ячейке при Ra=105 устанавливается стационарная двухваликовая конвекция, а при Ra=106 возникает периодический колебательный режим. Появление в ячейке свободноплавающего тела круглого сечения меняет характер течения, который качественно не зависит от размера тела, но принципиально отличается для двух рассмотренных значений числа Релея. Так, при Ra=105 в присутствие тела формируется устойчивая крупномасштабная циркуляция, занимающая всю ячейку. Тело при этом двигается неравномерно, останавливается в двух диагонально расположенных углах ячейки. При Ra=106 сценарий движения тела меняется: свободноплавающее тело совершает квазиустойчивые колебательные движения туда-обратно вдоль траектории, представляющей собой положенную на бок букву П. Внесение плавающего тела приводит к снижению интенсивности конвективного течения и конвективного переноса тепла. Показано, что значения чисел Рейнольдса и Нуссельта заметно снижаются по мере роста размеров тела. В результате взаимодействия тела с температурными пограничными слоями наблюдаются заметные колебания интенсивности потоков тепла во времени и, как следствие, квазипериодические осцилляции средней температуры жидкости. Наиболее выраженная корреляция температуры и вертикальной координаты положения тела имеет место в случае крупных тел и большего значения числа Релея.
Скачивания
Библиографические ссылки
Ahlers G., Grossmann S., Lohse D. Heat transfer and large scale dynamics in turbulent Rayleigh–Bénard convection // Reviews of modern physics. 2009. Vol. 81, no. 2. P. 503–537. DOI: 10.1103/RevModPhys.81.503
Chillà F., Schumacher J. New perspectives in turbulent Rayleigh–Bénard convection // The European Physical Journal E. 2012. Vol. 35. P. 1–25. DOI: 10.1140/epje/i2012-12058-1
Xia K. Current trends and future directions in turbulent thermal convection // Theoretical and Applied Mechanics Letters. 2013. Vol. 3, no. 5. 052001. DOI: 10.1063/2.1305201
Zhang J., Libchaber A. Periodic boundary motion in thermal turbulence // Physical Review Letters. 2000. Vol. 84, no. 19. P. 4361–4364. DOI: 10.1103/PhysRevLett.84.4361
Zhong J.Q., Zhang J. Thermal convection with a freely moving top boundary // Physics of Fluids. 2005. Vol. 17, no. 11. 115105. DOI: 10.1063/1.2131924
Zhong J.Q., Zhang J. Dynamical states of a mobile heat blanket on a thermally convecting fluid // Physical Review E. 2007. Vol. 75, no. 5. 055301. DOI: 10.1103/PhysRevE.75.055301
Gurnis M. Large-scale mantle convection and the aggregation and dispersal of supercontinents // Nature. 1988. Vol. 332, no. 6166. P. 695–699. DOI: 10.1038/332695a0
Zhong S., Gurnis M. Dynamic feedback between a continentlike raft and thermal convection // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 1993. Vol. 98, B7. P. 12219–12232. DOI: 10.1029/93JB00193
Mao Y., Zhong J.Q., Zhang J. The dynamics of an insulating plate over a thermally convecting fluid and its implication for continent movement over convective mantle // Journal of Fluid Mechanics. 2019. Vol. 868. P. 286–315. DOI: 10.1017/jfm.2019.189
Mao Y. An insulating plate drifting over a thermally convecting fluid: the effect of plate size on plate motion, coupling modes and flow structure // Journal of Fluid Mechanics. 2021. Vol. 916. A18. DOI: 10.1017/jfm.2021.192
Попова Е.Н., Фрик П.Г. Крупномасштабные течения в турбулентном конвективном слое с погруженным в него подвижным теплоизолятором // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. 2003. № 6. C. 41–47.
Попова Е.Н., Васильев А.Ю., Сухановский А.Н., Фрик П.Г. Динамика конвективной системы с плавающим протяженным теплоизолятором // Вестник Пермского университета. Физика. 2022. № 3. C. 38–47. DOI: 10.17072/1994-3598-2022-3-38-47
Васильев А.Ю., Сухановский А.Н., Фрик П.Г. Влияние горизонтальных теплоизолирующих пластин на структуру конвективных течений и теплоперенос в замкнутой полости // Вычислительная механика сплошных сред. 2023. Т. 15, № 1. C. 83–97. DOI: 10.7242/1999-6691/2022.15.1.7
Filimonov S., Gavrilov A., Frick P., Sukhanovskii A., Vasiliev A. 2D and 3D Numerical Simulations of a Convective Flow with a Free-floating Immersed Body // Heat Transfer Research. 2025. Vol. 56, no. 7. P. 13–26. DOI: 10.1615/HeatTransRes.2024054471
Frick P., Popova E., Sukhanovskii A., Vasiliev A. A random 2D walk of a submerged free-floating disc in a convective layer // Physica D Nonlinear Phenomena. 2023. Vol. 455. 133882. DOI: 10.1016/j.physd.2023.133882
Frick P., Filimonov S., Gavrilov A., Popova E., Sukhanovskii A., Vasiliev A. Rayleigh–Bénard convection with immersed floating body // Journal of Fluid Mechanics. 2024. Vol. 979. A23. DOI: 10.1017/jfm.2023.1064
Филимонов С.А., Гаврилов А.А., Литвинцев К.Ю., Васильев А.Ю., Сухановский А.Н., Фрик П.Г. Блуждания зеркально отражающего погруженного диска в подогреваемом падающим излучением конвективном слое // Вычислительная механика сплошных сред. 2025. Т. 18, № 1. C. 112–121. DOI: 10.7242/1999-6691/2025.18.1.9
Filimonov S., Gavrilov A., Sukhanovskii A., Vasiliev A., Frick P. Large aspect ratio Rayleigh–Bénard convection perturbed by a floating immersed body // Journal of Fluid Mechanics. 2025. Vol. 1022. A41. DOI: 10.1017/jfm.2025.10789
Vasiliev A., Frick P., Kumar A., Stepanov R., Sukhanovskii A., Verma M.K. Transient flows and reorientations of large-scale convection in a cubic cell // International Communications in Heat and Mass Transfer. 2019. Vol. 108. 104319. DOI: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2019.104319
Sugiyama K., Ni R., Stevens R.J., Chan T.S., Zhou S.-Q., Xi H.-D., Sun C., Grossmann S., Xia K.-Q., Lohse D. Flow reversals in thermally driven turbulence // Physical Review Letters. 2010. Vol. 105, no. 3. 034503. DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.034503
Васильев А.Ю., Фрик П.Г. Инверсии крупномасштабной циркуляции при турбулентной конвекции в прямоугольных полостях // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2011. Т. 93, № 6. C. 363–367.
Теймуразов А.С., Васильев А.Ю., Фрик П.Г. Двумерные и квазидвумерные расчеты турбулентной конвекции в вертикальных слоях // Вычислительная механика сплошных сред. 2012. Т. 5, № 4. C. 405–414. DOI: 10.7242/1999-6691/2012.5.4.48
Tsutsumi T., Takeuchi S., Kajishima T. Heat transfer and particle behaviours in dispersed two-phase flow with different heat conductivities for liquid and solid // Flow, turbulence and combustion. 2014. Vol. 92, no. 1. P. 103–119. DOI: 10.1007/s10494-013-9498-0
Takeuchi S., Miyamori Y., Gu J., Kajishima T. Flow reversals in particle-dispersed natural convection in a two-dimensional enclosed square domain // Physical Review Fluids. 2019. Vol. 4, no. 8. 084304. DOI: 10.1103/PhysRevFluids.4.084304
Teimurazov A., Frick P., Weber N., Stefani F. Numerical simulations of convection in the titanium reduction reactor // Journal of Physics: Conference Series. Vol. 891. 2017. 012076. DOI: 10.1088/1742-6596/891/1/012076
Mittal R., Iaccarino G. Immersed boundary methods // Annu. Rev. Fluid Mech. 2005. Vol. 37. P. 239–261. DOI: 10.1146/ANNUREV.FLUID.37.061903.175743
Филимонов С.А., Гаврилов А.А., Дектерев А.А., Литвинцев К.Ю. Математическое моделирование взаимодействия свободно-конвективного течения и подвижного тела // Вычислительная механика сплошных сред. 2023. Т. 16, № 1. C. 89–100. DOI: 10.7242/1999-6691/2023.16.1.7
Van Doormaal J.P., Raithby G.D. Enhancements of the SIMPLE method for predicting incompressible fluid flows // Numerical heat transfer. 1984. Vol. 7, no. 2. P. 147–163. DOI: 10.1080/01495728408961817
Lien F.- S., Leschziner M. Upstream monotonic interpolation for scalar transport with application to complex turbulent flows // International Journal for Numerical Methods in Fluids. 1994. Vol. 19, no. 6. P. 527–548. DOI: 10.1002/FLD.1650190606
Frick P., Filimonov S., Gavrilov A., Litvintsev K., Sukhanovskii A., Popova E., Vasiliev A. Dynamics of a submerged plate of different optical properties in a heated by radiation convective cell // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2025. Vol. 241. 126675. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.126675
Celik I.B., Ghia U., Roache P.J., Freitas C.J. Procedure for Estimation and Reporting of Uncertainty Due to Discretization in CFD Applications // Journal of Fluids Engineering. 2008. Vol. 130, no. 7. 078001. DOI: 10.1115/1.2960953
Зимин В.Д., Кетов А.И. Надкритические конвективные течения в кубической полости // Известия Академии наук СССР. Механика жидкости и газа. 1974. № 5. C. 110–114.
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2026 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
