热振动对两相流层对流不稳定性的影响.pdf

中国工程热物理学会 多相流 学术会议论文 编号：06613[ 热振动对两相流层对流不稳定性的影响+ 周建英，王安，刘秋生 中国科学院力学研究所，国家微重力实验室，北京100080 联系电话：01062615530 E-mail：i§螋ji垫YiⅡ鳇i!!!h：堑：!B 摘 要 简述高频热振动的理论模型和研究现状。以及高频振动对单层流体和两相流层不相混台 流体系统对流稳定性的影响．本文对高频热振动下硅油(10cS)和氟液(PCTO)两相流层流体 动方向的和振动强度下系统对流稳定性的特征变化。 关键词高频热振动，对流不稳定性，两相流． Raylcigh-Mamngoni-Bchard对流 1．引言 自然界中，表面张力和浮力都能引起对流的产生。由表面张力引起的对流通常称之 影响。其对流机理和失稳现象比单层流体的要复杂。因而多层流体对流稳定性问题一直 是流体力学研究的经典问题之一．人们关心它的稳定性特征、失稳结构等理论问题。振 动是自然界中普遍存在的一种特殊运动形式，一定形式的振动对流体(或颗粒)运动和 热扩散过程具有显著的影响。在空间实验平台上(如宇宙飞船。空间站等)，由于存在微 重力跳动(g跳)等振动现象使得流体对流稳定性发生变化。而在地基工程技术中．人 们利用不同形式的振动运动来达到控制流体运动过程的目的，如施加外加振动来控制和 削弱材料生长过程中熔体内部的浮力对流，改善晶体材料的结晶品质等。通过施加振动 运动来增加或者减少流体内部的热传递．从而改变流体的热、质传输过程和运动稳定性。 本文主要采用速度平均化理论方法，分析高频振动情况下从下层加热的无限长两层不相 混合流体系统的对流稳定性。本文所指的高频振动就是振动运动的时间周期小于流体系 +本课题由中国国家自然科学基金项目和中国科学院创新工程计划项目 (KGCX·SW-409)资助。 162 x，L分别为系统运动学粘性尺度、热扩散尺度和长度的参考尺度，并且振动的幅值为 有限值。 取得了一定的进展。GZ．Oershuni 振动的强度。在无限长的单相流体层，微重力条件下，热振动和热毛细效应对流体的对 无限长单层水平流体层中．对重力效应和热振动效应耦合的研究发现，在振动达到某一 强度时，系统会发生失稳。研究结果显示，在不同角度a的振动下。随波数变化的临 随着角度的增大而增大，当振动的角度a一Ⅱ／2时，临界的Rm一一．k一0。其结果 et 和Zavarykin 对矩形模型中微重力情况下、无限长圆柱模型的热振动进行了研究。I．Cissc[4]等对矩 浮力对流稳定性影响。而Yurkov[3]则对有限频率振动条件下的热毛细对流进行了研究。 同时．Bmkh[5】和王安[6]等对高频振动对无限长平行平板内的两层流体的 绝对不稳定的情况。但到目前为止，振动对在重力效应和热毛细效应耦合情况下 ZEN’KOVSKAYA[2]对单层流体的浮力对流进行了研究。 }Ir=1．5(Hr=H。／也)的系统为研究对象。采用谱方法进行稳定性计算，首先研究的是热振 影响，理论分析不同振动角度下系统稳定性的特征和流体的热传递现象。这些研究结果 将有助于理解微重力环境下流体和材料科学实验中g跳(g-jitter)的效应和对流流体系 统的影响机制。 2．物理模型 本文研究的流体系统模型是双层流体，其物理模型如图1所示。其中流体上下边界 为等温平板，两流体为不相混合流体，中间界面为不变形界面，即考虑z=0。在本文研 系统处于一个余弦函数变化的加速度场中： 163 a=bn2cosntn 各个量的物理意义如Ft pI，p2分别代表上F流体的密度．HI，Hz分别上下流体层的厚度． Tl，T2，To为上层板，下层板，中间界面的温度，b为振动的幅值。n为振动的频率，n= (cosa，sina)。此处我们假设下层板温度高，Ⅱ为振动的角