IMECH-IR  > 国家微重力实验室
Bénard-Marangoni对流超临界转捩过程的研究
Alternative TitleThe Study of Supercritical Transition in Bénard-Marangoni Convection
吴笛
Thesis Advisor康琦
2014
Degree Grantor中国科学院研究生院
Place of Conferral北京
Subtype博士
Degree Discipline一般力学与力学基础
AbstractBénard-Marangoni对流作为热毛细对流的一种,无论在地面还是在微重力环境中都是非常重要的自然对流,在微重力晶体生长、薄膜制备、微化学反应等领域有着重要的应用。尽管人们对Bénard-Marangoni对流临界状态下的一次失稳积累了一些认识,然而对一次失稳后的高次转捩却知之甚少。本文通过实验结合理论,研究超临界转捩过程中流场结构(速度场、温度场)的变化,探索超临界流动中蕴含的丰富物理现象,揭示对流由一次失稳到湍流的转捩途径。本文研究属于国家自然科学基金重点基金“微重力条件下几个关键力学问题”的一部分。   本文以实验研究为主,实验模型是底部均匀加热的矩形液池,以硅油(1.5 cst, 2cst, 5cst, 10cst, 50cst)作为液池的实验介质,液层的上下温差靠底部加热和上表面自然对流散热建立。由于Bénard-Marangoni对流中存在速度场和温度场的耦合,因此采用粒子图像测速技术(PIV),激光多普勒测速仪(LDV),红外热像仪和热电偶等多种实验手段,对速度场和温度场进行观测。并开展相关的理论研究,由谱方法数值计算结合线性稳定性分析得到临界条件,并通过谱方法结合Galerkin-Eckhaus方法,进行弱非线性分析。   围绕超临界转捩的过程,本文将Bénard-Marangoni对流状态以超临界数大小分为三个主要的区域: 1.临界对流区(ε≈0)。此时液层处于刚开始一次失稳,流场刚出现Bénard涡胞的临界状态。并通过实验得到的临界条件与线性理论结果相一致。研究对流中的谐波效应对流场的影响,其中谐波的成分以及幅值之比与弱非线性理论结果相一致。此外,研究亚临界分岔的现象,发现亚临界分岔区域约为-0.09<ε<0,比弱非线性理论的结果偏大,比能量法稳定性的结果偏小。 2.弱超临界区(0<ε<10)。在这个区域中,对流为准定常状态。首先,研究出现涡胞排列缺陷的超临界状态以及常见的缺陷结构(五边形-七边形缺陷、“花”状缺陷以及缺陷带)。其次,研究二次不稳定出现的临界条件以及六边形向四边形涡胞转换的过程。然后,确定三次不稳定失稳形式:四边形结构向空间混沌结构转捩并且涡胞出现水平的漂移运动。从斑图形成角度上讲,以上转捩是扰动波组合方式的变化。最后,研究扰动波的波数的随超临界数的变化,得到超临界流动的波数选择的实验曲线以及经验公式。 3.高超临界区(ε>10)。当10<ε<30,为湍流转捩区,涡胞内出现了热流体波和亚涡胞,二者都是振荡流模式,因此流场进入了非定常周期振荡状态;而ε>30时,为湍流区,温度振荡的湍谱服从Kolmogorov的-5/3率,而耗散结构的空间温度分布则服从-8/3分布率。从流场结构上看,在向湍流转捩的过程是亚涡胞和热流体波能量增强并演化出羽流结构,非定常、非周期运动加剧过程;而从混沌理论的角度分析,BM对流向湍流转捩的过程是由倍周期分岔的道路进入湍流。
Call Number31144
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/48993
Collection国家微重力实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
吴笛. Bénard-Marangoni对流超临界转捩过程的研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2014.
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