大Pr数湍流热对流大尺度环流形态变化特性

摘要

大尺度环流是湍流热对流的重要特征之一,为了研究大尺度环流形态的变化特征,本文在大 Prandtl 数(Pr)下,较大的 Rayleigh 数(Ra)范围内对热对流的流动形态进行研究。采用直接数值模拟(DNS)计算二维湍流热对流,对大Pr = 10、20 的热对流大尺度环流形态进行研究,Ra 范围是 1×10^(8)~1×10^(12),同时与 Pr = 4.3 情况进行了对比分析。结果表明:大 Pr 数的热对流大尺度环流存在三种形态,方形、椭圆形和圆形,小 Pr 数只有椭圆形和圆形两种;方形的最大速度点在侧壁附近,椭圆形大尺度环流的最大速度点在椭圆与角涡的相剪切处,圆形的最大速度点随机出现在大尺度环流周长线上;方形到椭圆形的转变是一种渐变,存在过渡点,而椭圆形到圆形是突变;大尺度环流的长短轴之比,方形时在 1.0~1.2 之间,椭圆形时在 1.2 以上,而圆形时基本为 1;大尺度环流形态变化影响 Reynolds 数(Re)的变化规律:补偿 Re 数变化规律显示,大尺度环流形态由方形渐变为椭圆形时,Re 数出现小量下降,过渡点出现极小值,由椭圆形突变为圆形时,Re 数出现间断式大幅下降。