Аннотация
Численно в сопряженной постановке исследована зависимость распределения температуры от времени в тонкой стенке, отделяющей слой жидкости с числом Прандтля Pr = 16 от слоя газа в прямоугольной полости. Изучен сопряженный конвективный теплообмен в режиме термогравитационной конвекции в диапазоне чисел Грасгофа
103 ≤ Gr ≤ 106 и тепловой гравитационно-капиллярной конвекции жидкости при Gr = 104 и числе Марангони
Ma = 4220. Методом конечных элементов решена система уравнений конвекции в приближении Буссинеска, записанная в переменных «температура», «вихрь» и «функция тока» без учета и с учетом термокапиллярного эффекта на свободной границе жидкости. Исследован процесс развития конвективных течений, рассчитаны нестационарные поля температуры в жидкости, в газе и в тонкой перегородке между ними после внезапного включения нагрева противоположной вертикальной стенки полости. Показано, что тонкая стенка разогревается неравномерно, распределение температуры в тонкой стенке существенно зависит от локальных особенностей течения в жидкости. Показано, что термокапиллярный эффект оказывает заметное влияние на интенсивность конвективных течений и распределения температуры внутри тонкой стенки.
Ключевые слова: сопряженный теплообмен, свободная конвекция, термогравитационная конвекция, тепловая гравитационно-капиллярная конвекция, термокапиллярный эффект, тонкая стенка, численное моделирование, МКЭ
Список литературы
1. Зарубин В.С. Температурные поля в конструкции летательных аппаратов. Методы расчета. – М.: Машиностроение, 1966. – 216 с.
2. Белов В.К., Белов В.В. Прочность и устойчивость ракетных и авиационных конструкций при термосиловом нагружении. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. – 491 с.
3. Влияние нестационарной тепловой гравитационно-капиллярной конвекции на распределение температуры в тонкой вертикальной стенке / В.С. Бердников, В.А. Гапонов, В.А. Гришков, П.М. Лиханский, В.А. Марков // Теплофизика и аэромеханика. – 2010. – Т. 17, № 2. – C. 197–208.
4. Бердников В.С., Митин К.А. Сопряженный конвективный теплообмен в вертикальном слое жидкости // Вестник НГУ. Серия: Физика. – 2012. – Т. 7, вып. 1. – С. 70–79.
5. Kutateladze S.S., Berdnikov V.S. Structure of thermogravitational convection in flat variously oriented layers of liquid and on a vertical wall // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 1984. – Vol. 27, iss. 9. – P. 1595–1611. – doi:10.1016/0017-9310(84)90272-2.
6. Бердников В.С., Забродин А.Г., Марков В.А. Тепловая гравитационно-капиллярная конвекция в полости с различно нагретыми торцевыми стенками // Структура вынужденных и термогравитационных течений: сборник научных трудов / АН СССР, Сиб. отд-ние, Ин-т теплофизики; под ред. Е.М. Хабахпашевой. – Новосибирск: ИТФ СО АН СССР, 1983. – C. 147–163.
7. Бердников В.С., Гапонов В.А. Тепловая гравитационно-капиллярная конвекция в прямоугольных полостях // Труды II Российского симпозиума «Процессы тепломассопереноса и рост монокристаллов и тонкопленочных структур (HT&CG’97)», 22–24 сентября 1997 г. – Обнинск, 1998. – С. 35–46.
8. Бердников В.С., Гапонов В.А., Коврижных Л.С. Тепловая гравитационно-капиллярная конвекция в полости с продольным градиентом температуры // Инженерно-физический журнал. – 2001. – Т. 74, № 4. – С. 116–121.
9. Нестационарная термогравитационная конвекция в плоских прослойках жидкости различной ориентации / В.С. Бердников, П.М. Лиханский, В.А. Марков, П.В. Мокрушников // Структура гидродинамических потоков (вынужденное течение, тепловая конвекция): сборник научных трудов / АН СССР, Сиб. отд-ние, Ин-т теплофизики; под ред. Е.М. Хабахпашевой, В.С. Бердникова. – Новосибирск, 1986. – C. 94–107.
10. Бердников В.С., Гришков В.А. Ламинарно-турбулентный переход в свободноконвективном пограничном слое и теплоотдача вертикальных стенок // Труды 4 Российской национальной конференции по теплообмену – РНКТ 4, Москва 23–27 октября 2006 г. – М.: МЭИ, 2006. – Т. 3: Свободная конвекция. Тепломассообмен при химических превращениях. – С. 67–70.
11. Бердников В.С., Гришков В.А. Структура течения и теплообмен в вертикальных слоях жидкости в режимах термогравитационной и тепловой гравитационно-капиллярной конвекции // Аэродинамика и прочность конструкций летательных аппаратов: сборник трудов Всероссийской конференции по аэродинамике летательных аппаратов и прочности авиационных конструкций. – Новосибирск: СибНИА, 2009. – С. 124–131.
12. Гершуни Г.3., Жуховицкий Е.М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. – М.: Наука, 1972. – 392 с.
13. Конвективные процессы в невесомости / В.И. Полежаев, М.С. Белло, Н.А. Верезуб, К.Г. Дубовик, А.П. Лебедев, С.А. Никитин, Д.С. Павловский, А.И. Федюшкин. – М.: Наука, 1991. – 240 с.
14. Математическое моделирование конвективного тепломассообмена на основе уравнений Навье-Стокса /
В.И. Полежаев, А.В. Бунэ, Н.А. Верезуб, Г.С. Глушко, В.Л. Грязнов, К.Г. Дубовик, С.А. Никитин, А.И. Простомолотов, А.И. Федосеев, С.Г. Черкассов. – М.: Наука, 1987. – 274 с.
15. Соловейчик Ю.Г., Рояк М.Э., Персова М.Г. Метод конечных элементов для решения скалярных и векторных задач. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. – 896 с. – (Учебники НГТУ).
