Distinctive features of the heat propagation from a local.pdf При наличии в жидкости локализованных источников тепла в статическом гравитационном поле может возникнуть конвективное движение, причем тепло будет переноситься вместе с веществом вдоль выделенного направления и представлять собой струю с восходящим течением [1, 2]. Изучение таких процессов затруднено их особой чувствительностью к выбору условий подогрева, формой и размером источника тепла, а также свойствам исследуемых жидкостей и граничным условиям [3-6]. В связи с этим, рассматриваемые структуры представляют собой сложную динамическую систему, поэтому в ходе решения таких задач, как правило, прибегают к различным упрощениям, рассматривая осесимметричные и плоские приближения или идеализированные и стационарные модели [7-10]. Несмотря на ряд принципиальных трудностей, возникающих в ходе исследования конвекции от компактных нагретых тел, полученные в различных работах результаты находят применение как в практических вопросах теплопередачи [9, 11, 12], так и в фундаментальных задачах, например, временной эволюции известных конвективных структур [13, 14]. С другой стороны, процессы локального формирования и распространения одиночных мелкомасштабных конвективных структур можно считать некоторым промежуточным этапом организации течений более высоких масштабов, в том числе турбулентности [15-17]. При решении практических задач следует учитывать ряд таких дополнительных факторов, как наличие многокомпонентных [18] или химически активных сред [19], смешанные граничные условия [20], вращения или наклон [21-23], присутствие акустическо- го, в частности ультразвукового, воздействия [24, 25], а также модуляцию силы тяжести [26, 27]. Несмотря на актуальность подобных задач, они существенно осложнены большим количеством связанных параметров, что крайне затрудняет их систематическое экспериментальное исследование. Рассматривая, в частности, влияние вибраций можно обнаружить значительное число работ, однако к настоящему моменту в этой области чаще поднимается вопрос устойчивости течений к вибрационному возмущению [28]. В меньшей степени изучаются системы, в которых сам источник тепловыделения совершает гармонические колебания [29]. В вопросах конвекции и теплообмена от локализованного источника основное внимание уделяется распространению тепла в статическом случае. Для данной проблемы одной из разрабатываемых моделей является связь скорости продвижения тепловой неоднородности в бесконечном или ограниченном объеме жидкости, причем как для точечного, так и для протяженного источника. Важно указать на то, что в большинстве известных работ (в особенности, посвященных экспериментальному исследованию [30, 31]) интенсивность подогрева традиционно определяется мощностью тепловыделения. Поэтому даже современные модели устанавливают связь скорости с мощностью, а не температурой источника тепла, вследствие чего возникает проблема обобщения имеющегося материала и сопоставления с новыми экспериментальными данными. В частности, имеются трудности с выбором универсального безразмерного параметра задачи по аналогии с числом Рэлея [32]. В работах, выполненных нами ранее, проводился обзор методов наблюдения и измерения тепловых неоднородностей в узких полостях с различной геометрией [5, 33]. Обзор показал, что многие из приведенных методик не подходят для исследования течений в условиях высокочастотных вибраций. В этом случае для решения задач о теплопередаче в вибрационных полях разумнее использовать наиболее простой способ регистрации тепловых возмущений, такой, как термопарные измерения. Одним из результатов предыдущих работ является описание сценария развития поля температуры в замкнутых полостях [6, 32, 33]. Присутствие в задаче вибрационного воздействия может сказаться на поведении теплового возмущения и его распространении в слое жидкости (рис. 1). Рис. 1. Изменение с течением времени вертикальной координаты тепловой струи, полученное в узком вертикальном слое при мощности подогрева 0.01 Вт [33] (а); визуализация течения флуоресцирующим красителем, показывающая поведение жидкости вблизи источника на начальном этапе вдали от боковых границ (фрагмент из работы [34]) (b). При значительном перепаде температуры пограничный слой над поверхностью нагревателя способен деформироваться, что приводит к разделению течения на две струи Fig. 1. Variation of a plume vertical coordinate with time observed in a narrow vertical layer at the heater power of 0.01 W [33] (a); visualization of the flow by fluorescent dye demonstrating the fluid behavior near the source at the initial stage and far from the lateral boundaries (the fragment is from [34]) (b). The boundary layer over the heater surface could be deformed at significant temperature drop which leads to a flow separation into two streams a r

Скачать электронную версию публикации