粘弹性流体Rayleigh-Bénard热对流稳定性及热量输运的物理机制研究

Based on the idea of changing the fluid's physical characteristics, this program is proposed to the application of shear-thinning and elastic effect with high polymer and surfactant to explore the effect on viscoelastic fluid on the stability and mechanism of thermal transport in classical nonlinear Rayleigh-Bénard convection(RBC). The research content in the program includes three aspects:(1)building the characteristics equations of flow stabilty in RBC with viscoelastic fluid, analyzing the effect of different control parameters on the flow stability and obtaining the stability profiles; (2)building low-dimensional dynamic model of RBC with viscoelastic fluid, exploring the effect of different control parameters on the phase space development, flow characteristics and convection modes; (3)Experimentally and numerically investigating the effect of different control parameters on convection stability, scaling law, the characteristics of boundary layer, the statistically and structural characteristic of flow structures, building the energy equilibrium equations to explore the interraction betweeen the molecular microstructures of viscoelastic fluid in order to illustrate the physical mechanism of thermal transport. The deep studies of RBC with viscoelastic fluid will be helpful to understand deeply the drag-reducing and heat transfer characteristics of turbulent flow with viscoelastic fluid. The research achievement of this program is bound to be of great values from the academic and practical application viewpoints.

基于改变流体物性的思想，本项目旨在应用高聚物和表面活性剂水溶液的剪切稀变和弹性响应特性，探索流体粘弹性的存在如何影响经典非平衡系统Rayleigh-Bénard热对流(RBC)的稳定性及热输运机制的创新性思想。具体研究内容包括三个方面:(1)建立粘弹性流体RBC系统流动稳定性特征方程，分析不同控制参数对RBC系统流动稳定性的影响，获得流动稳定性曲线；(2)建立粘弹性流体RBC系统非线性低维动力学模型，探索不同控制参数对RBC系统相空间演化过程、流动特性和对流发展模式的影响；(3)实验和数值模拟研究不同控制参数对流动稳定性、标度律、边界层特性、流动结构的统计和结构特性的影响；建立能量平衡方程，探索粘弹性流体分子结构与热对流结构之间的相互作用，揭示热输运的物理机制。粘弹性流体RBC系统的深入研究也有助于加深对粘弹性流体湍流减阻与传热特性的理解。本项目研究成果具有重要的学术价值和实际应用价值。

本项目研究基于粘弹性流体的剪切稀变和弹性特性，揭示流体粘弹性的存在如何影响经典非平衡系统Rayleigh-Bénard热对流（RBC）的稳定性、统计特性与结构特性、热输运的物理机制。本项目属于实现粘弹性流体RBC工业应用之前的机理性基础研究。. 本项目主要研究内容为：（1）针对基于无量纲控制方程组，采用FENE-P本构模型表征粘弹性流体特性，研究平行平板内小Ra下的粘弹性流体RBC系统流动稳定性，分析流体弹性和浓度对粘弹性流体RBC启动的影响；（2）采用非稳态计算方法，数值研究长宽比为2:1的平行平板内粘弹性流体RBC时空演化特性；基于POD方法构建粘弹性流体RBC流场空间演化的低维动力学模型，针对流场进行了相关预测；（3）基于纹影技术和PIV技术，开展粘弹性流体RBC湍流热对流的实验研究，探索流体粘弹性对大尺度环流、边界层厚度等特性的影响规律；（4）构建二维粘弹性流体RBC方腔计算模型，建立单羽流流动计算模型，研究流体弹性和最大拉伸长度对流动与换热的影响；（5）推导建立粘弹性流体RBC系统的湍动能输运方程，从不同能量贡献项在边界层区和中心区的作用出发，揭示粘弹性流体对RBC系统热运输影响的物理机制。. 基于上述研究内容，取得了重要研究成果：（1）发现粘弹性流体对其启动和分叉有抑制作用，甚至会引发再层流化现象和行涡现象，且临界Ra数出现推迟现象；（2）基于湍动能平衡方程，分析了粘弹性流体分子与流体流动之间的能量转换机理，发现了弹性能贡献项角色的变化是Nu 非单调变化的根本原因；（3）基于实验结果出给了粘弹性流体RBC系统Nu数、Re数与Wi数的标度律关系；（4）获得了粘弹性流体RBC系统传热机理和参数影响规律。（5）构建了粘弹性流体RBC低阶动力学修正模型。. 研究成果将全面认识粘弹性流体RBC系统这一独特现象，有助于加深粘弹性流体湍流减阻与传热特性的理解，并为今后粘弹性流体RBC系统在实际工程中的应用奠定基础，并提供重要指导。