Влияние неоднородной толщины на режимы конвекции в вибрирующей щелевой полости Текст научной статьи по специальности «Физика»

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2012 Серия: Физика Вып. 2 (20)

УДК 532.5

Влияние неоднородной толщины на режимы конвекции в вибрирующей щелевой полости

А. В. Зюзгин, Г.Ф. Путин

Пермский государственный национальный исследовательский университет,

614990, Пермь, ул. Букирева, 15

Работа посвящена изучению взаимодействия термовибрационного и термогравитационного механизмов конвекции в вертикальном слое неоднородно нагретой жидкости. Показано, что в случае неоднородной толщины полости возможно одновременное существование в разных частях полости гравитационного и вибрационного течений.

Ключевые слова: термогравитационная конвекция, термовибрационная конвекция, структуры течений.

1. Введение

Исследовалось взаимодействие термовибрационного и термогравитационного механизмов конвекции в вертикальном щелевом зазоре, обогреваемом с одной широкой стороны и охлаждаемом с другой. Полость как целое подвергалась горизонтальным продольным вибрациям. Известно [1-4], что в жидкостях с числами Прандтля Рг >12.5 в статическом поле тяжести первичное подъемно-опускное течение по мере нарастания приложенного перепада температур теряет устойчивость по отношению к последовательности нестационарных конвективных режимов, порождённых взаимодействием встречных бегущих тепловых волн. С другой стороны, при наложении на статическое поле тяжести переменных инерционных ускорений, создаваемых при горизонтальных вибрациях полости с жидкостью как целого в плоскости слоя, на фоне первичного подъемноопускного течения пороговым образом появляются виброконвективные движения [1, 5-6]. В [7] описаны эффекты снижения устойчивости, а затем подавления вибрационным воздействием нестационарных термогравитационных режимов и стабилизации виброконвективного течения. Подобное дестабилизирующее влияние вибраций на конвекцию описано в [8].

Термогравитационный механизм неустойчивости описывается критерием подобия Рэлея Rag = g р&к3/у% [1]. В то же время термовибрационные конвективные режимы, вызванные высокочастотными линейно поляризованными инерционными ускорениями, определяются вибрационным аналогом числа Рэлея

Rav = (р Q b ©h) 2/2v% [9, 10]. В этих выражениях р, v % - коэффициенты теплового расширения, кинематической вязкости и температуропроводности жидкости, g - ускорение свободного падения, © - перепад температур между границами слоя, Q

- круговая частота осцилляций, b - их амплитуда, а h - толщина слоя жидкости. Поскольку для гравитационной конвекции величина управляющего параметра пропорциональна h 3, а для вибрационной

- h2, то можно ожидать, что в случае неоднородного по толщине щелевого зазора эти обе моды неустойчивости могут сосуществовать в разных частях полости одновременно.

Исследование проводилось в обогреваемом с широкой боковой стороны вертикальном слое жидкости [6] высотой 300 мм, шириной 80 мм и средней толщиной 4 мм. При этом толщина слоя h равномерно изменялась в горизонтальном направлении от одной узкой боковой стенки полости к другой на 6%. Одной из широких стенок слоя служил плоский алюминиевый теплообменник. Противоположный широкий вертикальный теплообменник был составлен из двух параллельных прозрачных пластин из органического стекла, между которыми прокачивалась вода из струйного термостата. Кривошипно-шатунный механизм [6] сообщал конвективной камере продольные горизонтальные поступательные колебания. Амплитуда перемещений могла устанавливаться в пределах

0.1 ^ 7.0 см; частота - 0.5 ^30 Гц. В качестве рабочей жидкости использовался керосин Т-1, число Прандтля Pr = 26. Течение жидкости визуализировалось с помощью светорассеивающих частичек алюминиевой пудры. Цифровой захват изображения производился фронтально, на полувысоте рабочей ячейки.

© Зюзгин А. В., Путин Г.Ф., 2012

Влияние неоднородной толщины на режимы конвекции

45

2. Результаты эксперимента

На рисунке представлено фотографическое изображение фрагмента слоя жидкости. В данной реализации относительное гравитационное число Рэлея Rag/Rag* = 1.1, так же, как и относительное вибрационное число Rav/Rav* = 1.1. Здесь Rag* и Rav* - критические значения управляющих параметров в статическом и вибрационном полях соответственно.

В левой части конвективной камеры существует термогравитационное конвективное течение в виде вертикальных струй, описанных для статического случая в [2-4]. В отсутствие вибраций они возникали в области чисел Рэлея Rag/Rag* > 1.4. В правой части полости, в области больших толщин слоя, колебания создавали термо-вибрационный режим теплообмена. Структура течения представлена вертикальными стационарными валиками, обнаруженными в экспериментах [5] и изученными в широком промежутке управляющих параметров в [6]. В центре полости наблюдается узкая зона существования нестационарного переходного режима.

Сверху - схема горизонтального сечения вертикального слоя жидкости; ниже - фотоизображение конвективных структур; тева -термогравитационное, справа - термовибрационное течения, толщина слоя h увеличивается слева направо; Ка^/Ка* = 1.1,

Ка1/Кае* = 1.1

толщин слоя, и одновременно создает термовибрационную конвекцию в области, где толщина слоя больше. Следовательно, неоднородность слоя жидкости по толщине позволяет одновременно реализовать два взаимоисключающих конвективных режима разной природы.

Список литературы

1. Lappa M. Thermal Convection: Patterns, Evolution and Stability. A John Willey and Sons, Ltd., Publication. UK. 2010. 670 p.

2. Bratsun D. A., Putin G. F., Zyuzgin A. V. On the transition to irregular travelling waves in a long vertical slot // Annals Geophysical Supplement. 1996. Vol. 2, № 14. P. 121-122.

3. Брацун Д. А., Зюзгин А. В., Путин Г. Ф. Надкритические нестационарные движения в плоском вертикальном слое жидкости // Вестник Пермского университета. Физика, 1997. Вып. 2. С. 59-76.

4. Bratsun D. A., Zyuzgin A. V., Putin G. F. Nonlinear dynamics and pattern formation in a vertical fluid layer heated from the side // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2003. Vol. 24, № 6. P. 835852.

5. Заварыкин М. П., Зорин С. В., Путин Г. Ф. Экспериментальное исследование вибрационной конвекции // Доклады АН СССР. 1985. Т. 281, № 4. С. 815-816.

6. Зюзгин А. В., Путин Г. Ф. Устойчивость подъемно-опускного течения в вертикальном слое жидкости под воздействием высокочастотных вибраций // Сб. Вибрационные эффекты в гидродинамике. Пермский университет. Пермь. 1998. С. 130-141.

7. Зюзгин А. В. Экспериментальное исследование тепловой конвекции в переменных силовых полях: дис. докт. физ-мат. наук. Пермь, 2011. 229 с.

8. Бабушкин И.А., Демин В.А. К вопросу о вибрационно-конвективных течениях в ячейке Хеле-Шоу // Инженерно-физический журнал. 2008. Т. 81. № 4. С. 712-720.

9. Зеньковская С. М., Симоненко И. Б. О влиянии вибраций высокой частоты на возникновение конвекции // Изв. АН СССР, МЖГ. № 5. 1966. С. 51-55.

10. Заварыкин М. П., Зорин С. В., Путин Г. Ф. О термоконвективной неустойчивости в вибрационном поле // Доклады АН СССР. 1988. Т. 299, № 2. С. 309-312.

Таким образом, экспериментально показано, что воздействие высокочастотных вибраций на клиновидный вертикальный неоднородно нагретый слой жидкости дестабилизирует подъемноопускное течение по отношению к термогравитационной неустойчивости в области малых

Influence of nonuniform slot thickness on the convection modes in vibrating field

A. V. Zyuzgin, G. F. Putin

Perm State University, Bukirev St. 15, 614990, Perm

We have studied the interaction of thermal vibration and thermo-gravitational mechanisms of convection in of non-uniformly heated vertical layer of fluid. It is shown that in the case of nonuniform thickness of the cavity is possible coexistence of competing regimes in different parts of the cavity.

Keywords: thermo-vibrational convection, thermo-gravitational convection, pattern formation.