[论文解读] Heat transfer enhancement and reduction by poylmer additives in turbulent Rayleigh Benard convection

Yves Dubief|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2010

Rheology and Fluid Dynamics Studies参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究通过证明聚合物长度在决定结果中的关键作用，解决了在湍流雷利-贝纳德对流中添加聚合物时数值预测的传热增强（HTE）与实验观测的传热减弱（HTR）之间的矛盾。通过直接数值模拟，研究显示短聚合物通过喷流主导的动力学机制增强传热，而长聚合物则通过边界层中的高拉伸黏度和喷流中快速松弛导致HTR。

ABSTRACT

This letter confirms the existence of heat transfer enhancement (HTE) and reduction (HTR) in turbulent natural convection with polymer additives. HTE and HTR were numerically predicted by Benzi et al.(PRL, 104, 024502, 2010) in homogenous turbulent convection, but experiments by Ahlers & Nikolaenko(PRL, 104, 034503, 2010) in turbulent natural convection observed HTR only. Using direct numerical simulation of natural convection, the present study reconciles earlier numerical and experimental work on the basis of the dominant role of polymer length in the polymer dynamics in extensional flows.

研究动机与目标

• 调和聚合物添加剂在湍流自然对流中传热调控的实验与数值结果之间的矛盾。
• 研究聚合物松弛时间与分子长度在决定传热是否增强或减弱中的作用。
• 识别控制HTE与HTR的物理机制——特别是喷流与边界层中聚合物动力学的作用。
• 阐明为何先前的模拟预测了HTE，而实验仅观测到HTR，尤其关注壁面效应与聚合物长度的影响。

提出的方法

• 在具有等温、无滑移水平壁面的笛卡尔域中，对湍流雷利-贝纳德对流进行直接数值模拟（DNS）。
• 采用FENE-P模型模拟聚合物动力学，使用交错网格上的有限差分格式追踪形变张量C与应力张量T。
• 定义魏森伯格数We = λU_c/H，以量化聚合物松弛时间与湍流流动时序的比值。
• 计算努塞尔数（Nu）作为We与聚合物长度L的函数，以量化相对于牛顿溶剂的传热变化。
• 分析弹性能量贡献对热通量的垂直分布，分解为边界层（bl）与喷流（pl）两部分。
• 应用Grossmann-Lohse框架，关联能量耗散与热通量，分离出聚合物应力在改变湍流输运中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何数值模拟预测传热增强（HTE），而实验仅观测到传热减弱（HTR）？
• RQ2 聚合物长度（L）如何影响湍流雷利-贝纳德对流中HTE与HTR之间的转变？
• RQ3 主导HTE或HTR的流场结构（喷流与边界层）分别是什么？
• RQ4 聚合物松弛动力学与拉伸黏度如何影响对流腔不同区域的湍流热输运？
• RQ5 魏森伯格数（We）在决定聚合物对传热净效应中的作用是什么？

主要发现

• 对于短聚合物（L ≲ 1），传热增强（HTE）发生，源于喷流中显著的弹性能量贡献，当We ≲ 1时，HTE最高可达10%。
• 对于长聚合物（L ≳ 1），观测到传热减弱（HTR），原因是边界层中弹性能量耗散占主导，其拉伸黏度急剧增加。
• 在HTE情况下，喷流弹性能量占主导（−⟨εᵖ_pl⟩_V = 0.86），高于边界层贡献（−⟨εᵖ_bl⟩_V = 0.17），表明为喷流驱动的增强。
• 在HTR情况下，边界层弹性能量高于喷流能量（−⟨εᵖ_bl⟩_V = 0.46 > −⟨εᵖ_pl⟩_V = 0.32），表明边界层抑制了湍流。
• 在HTR流动中，喷流内拉伸聚合物的快速松弛更快，与Doyle等人提出的t⁻¹/²衰减规律一致，降低了其对传热的贡献。
• 在HTE与HTR流动中均未出现核心湍流，证实机制由相干对流胞控制，而非整体湍流。