方形密閉空間中液體混合物的非穩定自然對流

Abstract

本篇利用數值方法來模擬、討論方形密閉空間中液體混合物的流場、溫度與濃度上暫 態問題。由於在兩側壁上存在水平溫度與濃度梯度, 當它們同時引發時, 而且上、下 兩側是絕緣與不穿透性質, 故會產生複雜現象。為了讓本模式得以順利分析與應用 , 吾人將普納德數 (Prandtl number) 固定在 7.6時, 而讓無因次統御參數, 如史密斯 數(schmidt number)、熱瑞利數 (thermal Rayleigh number)和浮力比(buoyancy r- atio),有較寬廣的計算範圍。藉著不同的參數值來模擬不同的實際情況, 以增加其應 用範圍。在因濃度差所引起的浮力支配著溫度引起的浮力狀態下, 吾人所考慮的流體 會因不同的邊界條而產生了同向浮力與反向浮力兩種。此不同的效應所造成的結果在 流場隨時間的演變與相關的熱質傳上特別明顯; 尤其是在剛開始時的暫態變化過程更 是令人極欲瞭解的現象。而壁面上暫態的局部紐塞爾數 (local Nusselt number) 和 局部希爾吾德數 (local Sherwood number)與界面上速度的分布亦是這篇論文討論的 重點。 在流體的演變中, 由於熱擴散速度與濃度擴散度不同, 而且浮力比並不等於一, 故在 反向的浮力流中, 路易斯數 (Lewis number) 扮演著重要的角色。在高路易斯數下 , 熱質對流清楚地表達出雙擴散的特性, 熱邊界層厚度也遠大於濃度邊界層厚度 ,於是 在反向浮力流裡會出現逆向流 (reversal flow), 而這個現象的演變亦是造成多環流 (multi-cells) 的原因。 在本文中改變路易斯數 (Lewis number) 表示使用不同的溶質, 改變葛拉秀數 (Gra- shof number)使得兩側壁面有不同的溫度。不同的浮力比代表溶質重量的改變, 加瑪 (Γ)參數是為了模擬不同的壁面速度, 其原因可能是不同的壁面材料或是不同的溶液 。由於不同的參數造成複雜的流體形狀, 使得其流體的熱質傳受到非常大的影響。