IMECH-IR  > 国家微重力实验室
热毛细对流转捩问题研究
朱鹏
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流体力学
Abstract热毛细流动是空间环境中自然对流的主要形式,对它的研究不仅有助于更好地进行空 间探索和空间应用,还促进了人们对热毛细流动体系的非线性特征、流动稳定性、以及分 岔转捩等基本规律的认识。本论文主要通过实验研究了矩形液池中热毛细对流的转捩过 程,讨论了其一次转捩的临界条件和通向混沌的转捩途径。另外,数值模拟了常重力和微 重力条件下的热毛细对流。 首先为研究热毛细对流搭建了硬件和软件平台,包括热毛细对流控制系统,热电偶温 度测量系统、自由面位移测量系统、Labview 软件平台,混沌分析程序和FLOW-3D 数值模 拟计算工作站。 通过对热毛细对流的流体温度和自由面形变的实时测量,发现了对流的转捩过程。在 矩形液池中,液层两端的作用温差会引起自由面从热端向冷端的剪切流,从而驱动整个流 场的热毛细对流。当两端作用温差比较小的时候,液层中的对流为定常流动;当作用温差 超过某一临界值,对流会由定常流动转变为振荡流动。振荡开始时,对流的振荡为规则的 周期振荡,随着作用温差的增加,振荡会变得越来越不规则,直到转变为近似随机的混沌 状态。这样的一个流动状态演变过程就是热毛细对流的转捩过程。 详细研究了热毛细对流从定常流向振荡流的转变,实验获得了0.65cSt、1cSt、1.5cSt 和2cSt 硅油不同液层厚度液层温度振荡和自由面振荡的转捩条件。对于各种实验条件, 温度振荡和自由面振荡几乎都是同时起振。随着Bond 数的增加和长高比的减小,对流更 加不容易失稳,这一点与Burguete 在2001 年的实验结果相一致。转捩条件与Pr 数的关 系与Bond 数的大小有关。对于小Bond 数对流,各种Pr 数对应的转捩条件几乎一致;对 于大Bond 数对流,大Pr 数对应的流动更容易失去稳定性。实验中,热毛细对流的振荡是 在整个流场同时发生的。温度振荡的振幅在中间液层厚度和水平的中间位置达到最大。通 过观察不同点振荡的相位关系,发现了热毛细对流存在行波现象。 通过观测各种稳态条件下热毛细对流液层中温度振荡状态的演变过程,获得了两种通 向混沌的转捩途径。对于1cSt 硅油3mm 厚度液层,热毛细对流在起振之后首先进入周期 振荡状态,然后依次经历二频准周期、三频准周期和非周期的振荡状态,最后演变为混沌 热毛细对流转捩问题研究 II 状态,这样的通向混沌的方式称为准周期转捩途径。对于1.5cSt 硅油2mm 厚度液层,热 毛细对流通过倍周期转捩途径演变为混沌,过程中依次经历了周期、二分之一倍周期分岔、 四分之一倍周期分岔和非周期振荡状态。通过对实验中温度振荡混沌信号关联位数的计 算,发现它们均存在收敛值。这再一次证明了,实验中观察到的温度振荡最终是演变为混 沌状态,而非随机状态。另外,转捩过程中流体振荡状态的分岔会导致关联维数的突变。 最后,通过FLOW-3D 软件数值模拟得到,常重力条件下自由面的温度分布、温度振荡 的特性以及自由面的位型与实验结果基本一致;微重力条件下,发现了一种自由面晃荡现 象。我们认为这种晃荡现象主要是由于自由面的变形和液层流场的相互作用导致的。
Call Number31155
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/48997
Collection国家微重力实验室
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GB/T 7714
朱鹏. 热毛细对流转捩问题研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2014.
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