关于瑞利数等于0的讨论

流体的瑞利数 (Ra)是与浮力驱动对流相关的无量纲数。当某种流体的瑞利数低于 临界值 时,热量传递的主要形式是 热传导;当瑞利数超过临界值时热量传递的主要形式是对流。

其具体表达式如下:
R a = g β Δ T H 3 ν α R a=\frac{g \beta \Delta T H^3}{\nu \alpha} Ra=ναgβΔTH3

现在我们想让Ra的值为0,其实最总效果是想让理查德森数Ri等于0;Ri的表达式如下:
R i = R a R e 2 P r R i=\frac{Ra}{Re^2Pr} Ri=Re2PrRa
可以看出,Ri为0的话只能是Ra为0。又由Ra的表达式可以看出,在保证存在体积的情况下(即 H ≠ 0 H \neq 0 H=0),只能让 g = 0 g=0 g=0或者 Δ T = 0 \Delta T = 0 ΔT=0。一般来说,对于浮力驱动的热对流流动,其控制参数有Pr和Ra,由相似理论,我们只要控制这两个参数一致,那么经过无量纲化的流动参数也一定是一致的,也就是Ra和Pr唯一确定了流动状态。但是在 R a = 0 Ra = 0 Ra=0,似乎有些问题。

1、温度的无量纲化式子为 T ∗ = ( T − T 0 ) / Δ T T^*=\left(T-T_0\right) / \Delta_T T=(TT0)/ΔT,如果 Δ T = 0 \Delta T = 0 ΔT=0,那么无量纲的温度则是奇异的。

2、基于布西内斯克近似的能量方程为 ∂ T ∂ t + u ⋅ ∇ T = α ∇ 2 T \frac{\partial T}{\partial t}+\mathbf{u} \cdot \nabla T=\alpha \nabla^2 T tT+uT=α2T,如果上下壁面没有温差,并且我们设定初始场为上下壁面温度,那么根据能量方程,这个场会一直的保持均一下去。

3、对于 g = 0 g=0 g=0来说,如果系统存在温差,那么热传导仍然存在。

基于上面的三个结论,我们发现,这两种方式虽然都可以让 R a = 0 Ra= 0 Ra=0,但是其最总的结果确是不同的。下面简单的用进行数值模拟进行验证。

Δ T = 0 \Delta T = 0 ΔT=0 —> R a = 0 Ra= 0 Ra=0
温度云图(305-305.063):
在这里插入图片描述
速度云图(0-3.73013e-05):
在这里插入图片描述
g = 0 g = 0 g=0 —> R a = 0 Ra= 0 Ra=0
温度云图(300-310)
在这里插入图片描述
速度云图(0-1.42599e-5):
在这里插入图片描述
上面温度和速度并不严格等于我们猜想的状态是由于数值求解的误差。

最总我觉得 g = 0 g = 0 g=0是一个比较可靠的做法,因为这样不会导致无量纲温度的值奇异,当然还有一个重要的原因是对于理想槽道流流动来说,是没有重力的,这样的话 R i = 0 Ri = 0 Ri=0正好退化到理想槽道流流动。

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