Турбулентная конвекция жидкого натрия в наклонном цилиндре с единичным аспектным отношением - Мандрыкин, Сергей Дмитриевич; Теймуразов, Андрей Сергеевич (Вычислительная механика сплошных сред, 2018)
Выполнено численное исследование турбулентной конвекции жидкого натрия (число Прандтля Pr = 0,0093) в цилиндре с единичным аспектным отношением, нагреваемом с одного торца и охлаждаемом с другого. Рассмотрены режимы течения при наклоне цилиндра относительно вертикали на угол β = 0, 20, 40, 70°. Число Релея составляет 1,5∙107. Задача решалась в трехмерной нестационарной постановке, что позволило получить мгновенные и средние характеристики процесса, проанализировать поля пульсаций температуры. Математическая модель основывается на уравнениях термогравитационной конвекции в приближении Буссинеска с применением метода крупных вихрей (LES) для учета мелкомасштабной турбулентности. Использована неравномерная расчетная сетка с общим числом узлов 2,9·106. Показано, что структура течения существенно зависит от β. Во всех случаях в цилиндре обнаруживается крупномасштабная циркуляция (КМЦ). При умеренном наклоне полости (β = 20°) наблюдается доминирующая частота осцилляций угла ориентации КМЦ. Увеличение наклона до 40º ведет к стабилизации течения, доминирующая частота у КМЦ отсутствует. Наибольшие температурные пульсации возникают при течениях в цилиндрах с малым наклоном. При всех β области с интенсивными пульсациями сосредоточены вблизи нижнего и верхнего торцов, а максимальные значения пульсаций находятся вблизи боковых стенок цилиндра, где встречаются горячий и холодный потоки жидкости. По мере удаления от стенок интенсивность пульсаций снижается, причем тем быстрее, чем больше угол наклона. Число Рейнольдса, характеризующее полную энергию течения, достигает максимума при β = 20°, а затем, по мере роста β, уменьшается. Среднее течение имеет максимальную интенсивность при β = 40°. Показано, что с увеличением угла наклона полости энергия турбулентных пульсаций скорости монотонно убывает, а тепловой поток вдоль ее оси возрастает. Так, при β = 40° число Нуссельта Nu на 26% выше своего значения в случае вертикального положения цилиндра.
Keywords: конвекция; турбулентность; малые числа Прандтля; жидкий металл