Численное исследование механической устойчивости течения в условиях естественной конвекции

Abstract

Изучение устойчивости естественной конвекции актуально во многих областях современной науки: астрофизике, метеорологии, теплофизике, ядерной энергетике, машинном обучении и др. Одним из направлений исследований в данной области является численное моделирование конвекции в моменты изменений режима течения жидкости или газа. В статье выполнено детальное моделирование одно- и двухвихревых режимов течения несжимаемой жидкости в квадратной области с разбиением расчетной сеткой с четным и нечетным числом узлов. Промоделированы переходы между этими режимами течения при внесении возмущения в определенные узлы сетки. В начальный момент времени жидкость находится в состоянии покоя. С течением времени в процессе передачи тепла от горячей стороны квадратной области начинается естественная конвекция жидкости, при определенных условиях принимающая форму одного или нескольких вихрей ламинарного течения. В ходе исследования с точки зрения механической устойчивости наблюдался эффект перехода от двухвихревого к одновихревому течению при внесении в начальный момент времени источника возмущения в виде кратного повышения температуры. В работе использована математическая модель естественной конвекции в приближении Буссинеска. Расчеты выполнялись до выхода на стационарный режим течения. Результаты моделирования, полученные для расчетных сеток 20×20 и 21×21 контрольных объемов представлены на графиках в виде полей давления и температуры, проекций скорости на оси координат, а также в виде изображений линий тока.

Studying the stability of natural convection remains relevant in many areas of modern science: astrophysics, meteorology, thermal physics, nuclear power engineering, and machine learning, among others. One of such research areas is numerical modeling of convection during the changes in the flow regime of a liquid or gas. The article presents a detailed modeling of single- and double-vortex flow regimes of an incompressible fluid in a square region divided by a computational grid with an even and odd number of nodes. Transitions between these flow regimes are modeled when a disturbance is introduced into certain grid nodes. At start, the fluid is at rest; over time, during the heat transfer from the hot side of the square region, natural convection of the fluid begins, which forms under of one or more vortices of a laminar flow under certain conditions. The study has shown that as for the mechanical stability, the effect of the transition from a double-vortex to a single-vortex flow was observed when a disturbance source in the form of a multiple increase in temperature was introduced at the start. The authors have used a mathematical model of natural convection in the Boussinesq approximation; the calculations were performed until a steady-state flow regime was reached. The modeling results obtained for computational grids 20×20 and 21×21 control volumes are presented on graphs as pressure and temperature fields, velocity projections on coordinate axes, and streamline images.