Lifting regimes of thermal plumes in vertical layer

Abstract

Проведено теоретическое исследование динамики тепловых плюмов (конвективных факелов на начальной стадии) в тонком вертикальном слое при центральном подогреве снизу. Расчеты выполнены в 3D-постановке с помощью открытого программного пакета OpenFOAM, представляющего собой интегрируемую платформу для численного моделирования задач механики сплошных сред. В ходе численного моделирования классифицированы четыре основных режима всплытия плюмов: вязко-теплопроводный, вязко-нетеплопроводный, невязко-теплопроводный, невязко-нетеплопроводный. Для разных режимов подъемного движения получены анимационные изображения, иллюстрирующие поведение тепловых плюмов в зависимости от времени. Проанализировано влияние формы ножки и головки конвективного факела на скорость всплытия. Численно изучено взаимодействие двух синхронно движущихся плюмов, дано объяснение формирования их общего теплового фронта. Theoretical investigation of the dynamics of free thermal plumes in a thin vertical layer has been performed for the case of a cavity heated from below by means of a dotted thermoelement. Three-dimensional numerical modeling has been carried out with the help of package OpenFOAM. This integrable platform is meant for calculations in the area of continuous media mechanics. Four basic plume growth types (viscous-diffusive, inviscid-diffusive, viscous-nondiffusive and inviscid-nondiffusive regimes) are found. Animated images for various lifting regimes are obtained to observe the time-dependent behavior of thermal plumes. The stages of plume formation in a relatively thin layer, its steady lifting and deceleration by the top boundary have been analyzed for different profiles of the plume front. The interaction of two synchronous plumes is studied numerically, and the formation of a common thermal front is demonstrated.Key words: convective jet in the early stage (thermal plume), thin vertical layer, numerical modeling, 3D-calculations, package OpenFOAM, interaction of plumes ВведениеКонвективные явления, сопровождающиеся образованием характерного грибообразного теплового поля, называемого в зарубежной литературе тепловым плюмом, широко распространены в природе [1]. Течение, вызванное сосредоточенным источником тепла и на начальной стадии порождающее тепловой плюм, как правило, представляет собой струйное движение жидкости в виде конвективного факела [2, 3]. Внутренняя область плюма всегда имеет отличную от остальной жидкости температуру, что позволяет качественно устанавливать его границы и классифицировать их по форме. В зависимости от вязкости и теплопроводности среды окружающая жидкость в определенной степени также оказывается вовлеченной в конвективное движение, что, собственно, и создает тепловой плюм. Следует заметить, что помимо проявлений в природе подобные конвективные структуры имеют место в различных технологических процессах.В естественных условиях с тепловыми плюмами часто приходится сталкиваться в геологии. Конвективные грибообразные структуры, возникающие в магматических расплавах, характеризуются гигантскими числами Прандтл...

On convective instability of the counter propagating fluxes of inter-soluble liquids

“…Пакетом предусмотрены разные модификации гидродинамических уравнений, в частности, имеется возможность расчета движения сжимаемых сред и турбулентных течений. Тестирование возможностей платформы OpenFOAM на конвективных задачах показывает, что имеются большие перспективы ее применения для решения серьезных научных задач в области механики сплошных сред [9,12].…”