旋转对环形浅液池内热毛细对流影响的实验研究

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为了研究系统旋转对环形液池内热毛细对流稳定性和失稳后产生的热流体波的影响,本文以外半径为40mm、内半径为20mm、液层厚度为1mm的环形液池内热毛细对流为研究对象,实验测量了两种硅油(KF-96L-0.65CS和KF-96L-1CS)在外壁加热和内壁加热两种情况下产生热流体波的临界温差。阴影法观察了流动失稳后产生的热流体波的特征。并用红外线热成像仪测量了液层表面的温度波动。分析了内外壁间温差和环形池转速对热流体波及表面温度波动的影响。实验发现,0.65cSt的硅油在不同转速下产生热流体波的临界温差为6K左右;而1cSt的硅油的临界温差为11K左右。对于同一种硅油在内壁加热和外壁加热两种情况下出现热流体波的临界温差差别很小。0.65cSt硅油外壁加热时:当环形池转速n3rpm时,环形池内分布着周向传播方向相反的两组热流体波;当3rpm n6rpm时,只存在一组顺时针(和液池的旋转方向相同)方向传播的热流体波;当n7rpm时,靠近内环附近产生另一组沿逆时针方向传播的热流体波。1cSt的硅油外壁加热时:在略低于临界温差时靠近外壁附近会产生多圈同心圆结构的静止波纹;超过临界温差后,当环形池静止时,环形池内分布着周向传播方向相反的两组热流体波;当环形池旋转时,超过临界温差较小时热流体波沿逆时针方向传播,随着温差的增加部分或全部转变为沿顺时针方向传播的波。液面温度波动的振幅随着液池的旋转速度的增大而减小,随着内外壁温差的增大而增大;而液面点的温度波动的频率随着液池的旋转速度的增大而增大,随着内外温差的增大而增大。内壁加热时,随着温差的增大两种硅油都会在液池的内壁一周形成花瓣状的波纹,其传播方向和它外围热流体波的传播方向相同。在静止液池中有两组沿不同方向传播的热流体波,而在旋转液池中一般只有一组波纹。不同的是,1cSt的硅油内壁加热时,在略低于临界温差时会在靠内壁附近出现多圈的同心圆的波纹,然后出现热流静止体波。而0.65cSt的硅油没有观察到这种同心圆静止波纹。实验还发现,内壁加热时,热流体波的传播方向和波纹的弯曲方向一致;而外壁加热时,热流体波的传播方向和波纹的弯曲方向相反。无论内壁加热还是外壁加热,热流体波都是从热端逐渐发展到冷端。
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