Влияние формы нагретых горизонтальных пластин на структуру конвективных течений

Автор: Арсений Алексеевич Голдобин

Соавторы: Макарихин И.Ю. , Гончаров М.М., Селетков Б.С., Попов Е.С.

Организация: ПГНИУ

К настоящему времени решению проблемы детализации процесса разрушения конвективного факела тороидального вида в ходе формирования структуры течения, вызванного локальным нагревом тел конечных размеров, посвящено множество работ [1,2,3]. Полученные в них наработки находят применение в проектировании систем охлаждения и вентиляции. Однако при изучении литературы, не было обнаружено исследовании, направленных на описание развития конвективного течения над поверхностью нагретых пластин различной формы.

В связи с этим в работе исследуется свободная тепловая конвекция над нагретыми в форме различных правильных n-угольников, вписанных в окружность с фиксированным диаметром D. Проводится численное трехмерное моделирование в резервуаре, заполненном водой при фиксированных граничных условиях. Рассматривается начальная стадия развития тепловой конвекции при различных значениях управляющего параметра, в качестве которого выступает число Релея Ra, определенное по соотношению между площадью и периметром нагревателя. Особое внимание уделяется изучению структуры течения жидкости, а также эволюции температурного поля в плоскости центрального сечения пластин. В рамках исследования рассматриваются различные условия нагрева: n  (3, 5), Ra  (1.0 10^2, 1.3 10^5). Стандартная система уравнений Навье-Стокса численно решается методом конечных элементов для систематического изучения конвекции от источников тепла различных размеров с помощью программного пакета COMSOL Multiphysics.

В ходе работы показана зависимость значения критического числа Релея от фактора формы нагревателя, при котором наблюдается разрушение торообразного течения. Кроме того, проводится экспериментальное исследование для проверки результатов численного моделирования. В результате получено качественное соответствие расчетной и наблюдаемой структур течения в ходе экспериментов.

1. Matvey Maksimovich G. et al. Gravity Orientation Effects on Convection in the Gap Between Partially Heated Cylinders //Journal of Thermophysics and Heat Transfer. – 2022. – С. 1-9.

2.Fan Y. et al. Natural convection over vertical and horizontal heated flat surfaces: A review of recent progress focusing on underpinnings and implications for heat transfer and environmental applications// Physics of Fluids. – 2021. – Т. 33. – №. 10. – С. 101301.

3.Jiang Y., Nie B., Xu F. Scaling laws of buoyant flows on a suddenly heated horizontal plate// International Communications in Heat and Mass Transfer. – 2019. – Т. 105. – С. 58-64.