水平对流系统中雷诺数的测量.pdf

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1、硕士学位论文水平对流系统中雷诺数的测量MEASUREMENTSOFTHEREYNOLDSNUMBERSINHORIZONTALCONVECTION黄海龙哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：O357.4学校代码：10213国际图书分类号：621.38密级：公开工学硕士学位论文水平对流中雷诺数的测量硕士研究生：黄海龙导师：何晓舟教授申请学位：工学硕士学科：动力工程及工程热物理所在单位：深圳研究生院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:O357.4U.D.

2、C:621.38DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringMEASUREMENTSOFTHEREYNOLDSNUMBERSINHORIZONTALCONVECTIONCandidate：HuangHailongSupervisor：Prof.HeXiaozhouAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：PowerEngineeringandEngineeringThermophysicsAff

3、iliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnologyAbstract摘要本文主要介绍了水平热对流系统中雷诺数的实验测量结果，水平自然对流广泛存在于大气和海洋运动中，由此所驱动的沿地球经向运动的大尺度环流是大气和海洋环流重要组成部分。实验测量范围为瑞利数1.7×1011൑Ra൑1.6×1012，普朗特数Pr≈5。实验装置是一个长方体空腔，

4、空腔的长为100cm，宽和高均为10cm即尺度比为10，装置的底部两端分别放置有边长为10cm的正方形铜板，一端加热另一端冷却以为系统提供温差并驱动大尺度环流运动的形成。实验中的雷诺数Re和Re分别由平均流速和rms脉动速度定义，速度的测量方法是以多点温度测UV量为基础的椭圆近似假说。多点温度测量的位置位于热板上方靠近端板附近的中间平面，即平均流速最大的区域。首先实验通过详细的统计分析与测试，首次验证了椭圆模型在水平对流系统中给定参数范围内的适用性，在实验中我们发现当Ra数范围为1.7×1011൑Ra൑

5、3.3×1011时，测量区域的流动状态是多周期的周期振荡运动，当Ra数逐渐增大，振荡运动将逐渐转变为局部湍流运动（Ra≥4.3×1011）。同时对局部湍流运动的位置依赖性进行分析后，发现在本实验系统中椭圆模型仅适用于Ra数为4.3×1011൑Ra൑1.6×1012垂直位置为z/H=0.15到z/H=0.23这个区域。最后实验结果发现，在上述测量范围内，通过长时间平均的得到的两个雷诺数ReU和ReV大小相当，且它们都与Ra数存在一个幂指数依赖关系，指数大小为2/5，这个指数标度律与Shishkina的DN

6、S结果一致，本论文运用Rayleigh-BénardConvection系统中的GL理论对该标度律进行了解释。最后实验结果与前人的DNS结果进行对比发现，实验值和数值模拟结果吻合的较好，在瑞利数为1.7×1011൑Ra൑3.3×1011，系统处于过渡状态，当Ra>3.3×1011,系统进入局部湍流状态且运动形态不发生变化。关键词：水平热对流；时空相关性；雷诺数IAbstractABSTRACTWereportedtheexperimentalresultsofReynolds-numbermeasure

7、mentsforhorizontalconvection(HC)overtheRayleigh-numberrange1.7×1011≤Ra≤1.6×1012andforaPrandtlnumberPrൎ5.Theconvectionsamplewasarectangularcellwiththeheightandwidthequalto10cmandthelengthequalsto100cm.Twosquarecopperplateswithasidelengthof10cmwereplacedse

8、paratelyatthetwoendsofthesamplebottomtoprovidetemperaturedifferenceanddrivealarge-scalecirculation.TheReynoldsnumbersReandRewereobtainedfromthemean-flowvelocityUandUVtheroot-mean-squarefluctuationvelocityVbasedonmulti-poin