双向温差作用下矩形浅液池内marangoni-热毛细对流研究

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1、双向温差作用下矩形浅液池内Marangoni-热毛细对流研究重庆大学硕士学位论文（专业学位）学生姓名：周洋指导教师：彭岚教授学位类别：工程硕士（动力工程领域）重庆大学动力工程学院二O一五年五月ResearchonMarangoni-ThermocapillaryConvectioninaShallowRectangularLiquidPoolwiththeBidirectionalTemperatureGradientsAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementforthe

2、ProfessionalDegreeByYangZhouSupervisedbyProf.LanPengSpecialty：ME(PowerEngineeringField)CollegeofMaterialScienceandEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay2015重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要自然对流广泛存在于自然界和社会生活当中。流体内部温度梯度引起密度差异形成的浮力对流，以及表面张力梯度所驱动的热毛细对流或者Marangoni对流都属于自然对流。本课题研究的是表面张力梯度所驱动的热对流，其主要形式

3、有两种，当温度梯度方向平行于自由表面时，称之为热毛细对流；当温度梯度方向垂直于自由表面时，称之为Marangoni对流。近年来，学者们分别针对这两种热对流展开了丰富的研究，而在自然界和实际工业中，双向温差耦合作用下的Mrangoni-热毛细对流广泛存在，相比于单向温差作用时，流动更为复杂。因此，本课题以有限容积法为基础，建立了双向温差耦合作用下矩形浅液池的物理模型和数学模型，采用数值模拟对液池内的Marangoni-热毛细对流展开研究，分别讨论了稳态和非稳态情况下流体内部的流动状态，获得了不同工况下流体内的温度场和速度场，分析了各种流型结构的演变规律，讨论了水平温差（Ma数）

4、、底部垂直热流（Q）以及自由表面换热条件（Bi数）对矩形浅液池内流动的影响等，主要结论如下：第一，Ma数和Q均会影响流动的形态，当Ma数较小时且Q=0，流动处于二维稳态流动，随着垂直热流Q增大，液池内流动由单胞流演变为双胞流；当流动处于流向相反的双胞流态时，随着Ma数增大，热壁侧逆时针流胞强度减弱、收缩，而冷壁侧流胞强度增强、延伸，最终变成单胞流动。Ma数和Q的增大均会导致流动的失稳，且波动频率随Ma数和Q均增大，变化曲线有一定的差别，而Bi数的增大，却会抑制流动的失稳。第二，当Ma数很小，Q＞Qcr且Q较小时，形成以冷壁中心为源点向热壁传播的两组对称分布的双列热流体波。随着

5、垂直热流Q增大，冷壁上的波源先向后壁侧移动，再向前壁侧移动，当Q足够大时，热壁侧形成两组对称分布的双列热流体波，与冷壁侧热流体波共存。第三，当Ma数较大，Q＞Qcr且Q较小时，形成以冷壁中心为源点向热壁传播的两组对称分布的双列热流体波。随着垂直热流Q增大，冷壁上的波源始终保持在冷壁中心处，液池内波动紊乱而热壁侧未形成波动。第四，当Ma＞Macr且Q=0时，热壁附近呈双列斜波，随着垂直热流Q的增大，热壁侧热流体波消失而冷壁侧出现两组对称分布的双列热流体波，且其波源始终保持在冷壁中心处。关键词：Marangoni-热毛细对流；垂直热流；水平温度梯度；热流体波；矩形浅液池I重庆大学

6、硕士学位论文英文摘要ABSTRACTNaturalconvectionexistswidelyinnatureandsociallife.Thebuoyancyconvectiondrivenbydifferencesofthefluiddensityinducedbytemperaturegradientsinthefluid,andthermocapillaryconvectionorMarangoniconvectiondrivenbysurfacetensiongradientsinducedbytemperaturegradientsonthefreesurface

7、canbothberegardedasnaturalconvection.Thisresearchfocusesontheconvectionsdrivenbysurfacetensiongradientwhichhavetwokindsofformationmechanism:oneiscalledthermocapillaryconvectioncausedbythetemperaturegradientparalleltothefreesurface;anotheroneiscalledMaran