Количественное описание формирования свободной конвекции Результаты cfx

Б

Рис. 26. Положение точки А

ыли рассмотрены конвективные течения с постоянным локализованным нагревом для воды и масла. Физическое время расчетов 200 секунд, этого было достаточно для выхода на периодический режим. Начальная температура для обеих жидкостей 20 ^оС. Для каждой жидкости расчеты проводились при режимах с вариацией мощности нагрева P: 5 Вт 10 Вт, 20 ВТ, 30 ВТ, 40 ВТ, 50 ВТ. Были построены графики зависимости средней кинетической энергии, времени выхода в квазистационарное движение от мощности нагрева и график зависимости средней кинетической энергии от времени для всех режимов. Так же построен график, показывающий изменение периода появления конвективной струи в точке А (37.5 мм, 3.9 мм, 0 мм) в зависимости от мощности.

С

Рис. 27. График зависимости средней кинетической энергии от времени при разной мощности нагрева для воды и масла (CFX)

равнение результатов для режимов воды и масла

На рисунке 27 представлен график зависимости средней кинетической энергии от времени при разной мощности нагрева. Значение средней кинетической энергии в слое жидкости определяется следующим соотношением: . График показывает, что увеличение мощности нагрева приводит к заметно более интенсивному конвективному течению жидкости. Так же видно, что с некоторого момента времени интенсивность течения начинает падать. Сравнивая графики средней кинетической энергии для воды и масла (Рис. 27), можно наблюдать, что течение воды более интенсивно по сравнению с течением масла. Так же наблюдая за поведением изменения кинетической энергии масла, можно увидеть, что оно происходит с некоторой периодичной пульсацией.

Действительно, наблюдая за течением основного потока жидкости, можно увидеть, что со временем происходит установление периодического режима.

Из графика, представленного на рисунке 28, видно, что время установления периодического режима у воды больше чем у масла.

Время установления периодического режима t* было подсчитано вручную – были исследованы графики зависимости полной температуры от времени в точке А (Рис. 29), и найдены моменты времени, после которого колебания температуры периодически повторялись. Из этого графика (Рис. 28) видно, что t* уменьшается с увеличением мощности нагрева P.

Рис. 30. График зависимости средней кинетической энергии в зависимости от мощности нагрева P для воды и масла

Рис. 29. Зависимость полной температуры в точке А от времени (черной линией указано время перехода в периодический режим)

Изменение средней кинетической энергии в зависимости от P происходит схожим линейным образом, единственное отличие заключается в том, что величина средней кинетической энергии в случае воды больше той же величины в случае масла.

Как было замечено ранее, конвективные струи возникают в фиксированных, регулярно расположенных точках поверхности, если тепловой поток поддерживается постоянным. Конвективные струи возникают периодически по времени.

Интересно рассмотреть поведение таких мелкомасштабных структур при разной мощности нагрева. Добавив точку наблюдения А в непосредственной близости к очагу образования конвективной струи, можно наблюдать изменение полной температуры в этой точке при разной мощности нагрева.

Рис. 31. Изменение частоты генерации мелкомасштабных структур ν в точке А от мощности нагрева Р (CFX)

Рисунок 33 иллюстрирует изменение частоты генерации мелкомасштабных структур от мощности нагрева в фиксированной точке А для воды и масла. Частота генерации мелкомасштабных структур в масле больше чем в воде.