Численное моделирование сложных режимов конвекции Рэлея-Бенара

Классическая задача о конвекции Рэлея-Бенара в различных постановках исследовалась многими авторами численно [1−38] и экспериментально [39−57]. Из-за очевидной связи с прямым численным моделированием турбулентности большой интерес вызывают исследования при высокой надкритичности г = Ra/Raer, где Ra и Ra^ - число Рэлея и его критическое значение, а Рг — число Прандтля.

При численном моделировании различают две постановки задачи о конвекции в бесконечном горизонтальном слое — со свободными (от касательных напряжений) и жесткими (с условием прилипания) горизонтальными границами, как правило, решение предполагается периодическим в горизонтальных направлениях или удовлетворяющим специальным граничным условиям [58]. Обе постановки задачи часто приводят к решениям, которые различаются лишь количественно, а не качественно [59]. Это и относительная простота решения задачи о конвекции со свободными граничными условиями и обуславливает интерес к этой постановке.

Рассмотрение конвекции со свободными от касательных напряжений горизонтальными границами имеет также и самостоятельный интерес, например, при изучении конвекции в мантии Земли [11,34] или приповерхностном слое океана [60]. В самом деле, в последнем случае формируется своеобразная трехслойная структура — воздух, полностью турбулизированный приповерхностный слой и относительно слабо турбулизированный внутренний слой океана, где изолировано расположенные очаги турбулентности имеют форму горизонтальных блинов [61].

Высокая степень турбулизации приповерхностного слоя обуславливает высокое значение эффективной (турбулентной) вязкости по сравнению с ее значениями в соседних слоях. Рассматривая динамическое соотношение на границах, ограничивающих приповерхностный слой и устремляя отношение вязкостей к бесконечности, получим асимптотически нулевые значения для касательных напряжений на границах приповерхностного слоя. Подобная трехслойная система (газообразный гелий — силиконовое масло — ртуть) использована в лабораторном эксперименте [39], где относительно высокая вязкость силиконового масла позволила исследовать конвекцию в слое со свободными от касательных напряжений границами.

Однако, такие лабораторные эксперименты технически очень сложны и интерпретация их результатов неоднозначна. Это обусловило практически полное отсутствие экспериментальных данных по конвекции со свободными границами, что заставляет нас обращаться к экспериментальным данным по конвекции с жесткими.

При сопоставлении данных по конвекции со свободными и жесткими граничными условиями следует ожидать хорошего соответствия характеристик, связанных с вертикальной скоростью, так как для нее граничные условия на горизонтальных границах правильные и ее динамика определяется, в основном, подогревом и гравитацией. Хорошее соответствие можно ожидать также и по кинетической энергии, среднеквадратичной скорости и числу Рейнольдса, так как они определяются, в основном, вертикальной скоростью. Сказанное справедливо также и для температуры, так как для нее граничные условия на горизонтальных границах правильные и последствия неправильных граничных условий для горизонтальной скорости проявляются лишь опосредовано, через коэффициенты в членах нелинейного переноса.

Существенное отличие конвекции со свободными границами от конвекции с жесткими — возможное неравенство нулю значений вертикальной компоненты завихренности [59], что проявляется в различном вращении вокруг вертикальной оси, а направленная горизонтально скорость такого вращения, как следствие, обуславливает возможное расхождение в характеристиках, связанных с горизонтальной скоростью. Заметим, что при двумерном моделировании вертикальная компонента завихренности равна нулю тождественно, что делает возможным согласование среднеквадратичных пульсаций горизонтальной скорости при двумерной конвекции со свободными и жесткими граничными условиями [63]. Интересно, что при этом результаты 2сЦгее расчетов согласуются с экспериментальными данными по величине среднеквадратичных пульсаций горизонтальной скорости и по числу Нуссельта даже при высокой надкритич-ности [63].

Ширина области влияния граничных условий пропорциональна вихревому масштабу, который в трехмерной конвекции уменьшается с ростом надкритич-1 /1 ности как г" [64] и, следовательно, роль граничных условий уменьшается при увеличении надкритичности и сказанное о правомерности сравнения характеристик трехмерной конвекции, связанных с вертикальной скоростью, числом Рейнольдса, среднеквадратичной скоростью, кинетической энергией и температурой, тем более верно при достаточно высокой надкритичности. Утверждение об уменьшении вихревого масштаба с ростом надкритичности в трехмерной конвекции со свободными границами [64], остается справедливым и для трехмерной конвекции с жесткими [3].

Основные трудности при численном моделировании конвекции при высокой надкритичности связаны с наличием растущих в линейном приближении возмущений с огромными инкрементами, например, при г = 3.4−104 и Рг = 10 (в двумерных расчетах со свободными границами) существуют возмущения, растущие как е1367'1. Последнее обстоятельство накладывает серьезные ограничения на численные методы, затрудняя использование каких-либо итераций, релаксаций, а также последовательное решение уравнений системы.

Между тем, число Рейнольдса (вычисленное по среднеквадратичной скорости и высоте слоя) является относительно медленно растущей функцией надкритичности в конвекции Рэлея-Бенара и Яе ~ 375 при г = 3.4−104 и Рг = 10 [65]. В трехмерных расчетах настоящей работы надкритичность меньше, чем в двумерных и, как следствие, при трехмерном моделировании число Рейнольдса не превышает 44 с максимальным ростом линейных возмущений как е1981 при г = 950 и Рг = 10.

В задаче о конвекции Рэлея-Бенара со свободными границами собственные функции задачи линейной устойчивости выражаются через синусы и косинусы [66] и это обуславливает высокую эффективность применения спектральных (псевдоспектральных) методов. В трехмерной задаче спектральные методы примерно на два порядка эффективнее конечно-разностных, причем, эта порядковая оценка отношения количества точек дискретизации к числу гармоник относительно слабо зависит от конкретных реализаций (в том числе и порядка аппроксимации) конечно-разностного и спектрального методов и определяется тем, что для любого конечно-разностного оператора интервал аппроксимации составляет лишь треть всего спектра и, таким образом, длина волны каждой учитываемой гармоники должна содержать не менее шести интервалов разностной сетки [67].

При расчете конвекции спектральным методом нужно решить две проблеI мы: интегрирование по времени жесткой системы уравнений и вычисление нелинейных членов. Во всех известных автору работах, кроме [15], для интегрирования по времени использовались разностные схемы, что ограничивало шаг по времени и число Рэлея [68]. На наш взгляд, для расчета конвекции со свободными границами наиболее оптимально использование аналитических формул [68,69] или матричной экспоненты [15].

Для проведения расчетов турбулентной конвекции широко используется псевдоспектральный метод в различных его модификациях [1,2,9,13,14,17,2022], недостатками которого являются невыполнение уравнения неразрывности на последнем дробном шаге [17,20] и использование не очень удачной схемы расщепления по физическим процессам, с учетом на одном дробном шаге нелинейных членов и плавучести [1,2,17,20−22], что ограничивает шаг по времени. На наш взгляд, более правильно рассматривать на отдельных дробных шагах линейное и нелинейное развитие возмущений.

Проблема вычисления нелинейных членов рассматривалась в работах [27,62]. В работе [62] рассмотрены три различных способа вычисления нелинейных членов, основанных на применении алгоритма быстрого преобразования Фурье, а в [27] - нелинейные члены вычисляются в смешанном спектрально-физическом пространстве.

Численные алгоритмы с вычислением нелинейных членов в физическом пространстве на разностной сетке, число узлов которой в каждом направлении в два раза превышает число гармоник в том же направлении, обладают высокой точностью, но при этом возникает проблема их эффективности. На наш взгляд, наиболее оптимальный компромисс между эффективностью численного алгоритма и точностью вычислений дает учет нелинейного переноса в физическом пространстве по разностным схемам на отдельном этапе расщепления [68,69].

Для расчета двумерной конвекции со свободными границами возможно применение варианта псевдоспектрального метода (модифицированного метода Галеркина), основанного на вычислении нелинейных членов по аналитическим формулам в физическом пространстве в точках разностной сетки, число узлов которой в каждом направлении в два раза превышает число гармоник в том же направлении и схеме Рунге-Кутта четвертого порядка точности для интегрировании по времени. Подобный численный метод применялся для расчета стохастической двухдиффузионной конвекции [30,31]. Такой метод обладает высокой точностью и результаты расчета по такой методике хорошо согласуются с результатами расчетов предлагаемым спектрально-разностным методом. Но, к сожалению, уже отмеченная выше низкая эффективность подобного численного метода, обусловленная избыточно точным вычислением нелинейных членов и использованием явной схемы для интегрирования по времени, сделала возможным проведение только нескольких тестовых расчетов.

В работе [23] для расчета течений двумерной конвекции с жесткими горизонтальными границами был предложен конечно-разностный численный метод четвертого порядка аппроксимации по времени и пространству. Несмотря на выигрыш в точности при достаточно малых шагах по пространству и времени, реализация такого подхода требует преодоления значительных трудностей.

В самом деле, повышение порядка аппроксимации по пространственным переменным до четвертого требует проведения вычислений на увеличенном шаблоне из-за повышения порядка производных в уравнениях и для однородности вычислений при этом необходимо введение фиктивных точек за границей области расчета, значения температуры и функции тока в которых должны вычисляться по специальным экстраполяционным формулам. Использование для вычисления значений завихренности на горизонтальных границах конечно-разностной формулы Брили третьего порядка аппроксимации и явная реализация метода расчета обусловили ограничения на устойчивость вычислений при большой надкритичности, малый шаг по времени и, как следствие, невысокую эффективность метода расчета.

Применение конечно-разностных методов может быть оправдано при проведении расчетов с небольшими надкритичностями [8,10], в областях со сложной геометрией [4,6] или жесткими стенками [26]. Использование конечно-разностных аппроксимаций возможно также по переменным, по которым применение спектральных разложений затруднительно [70,71].

Для расчета турбулентной конвекции со свободными границами при высокой надкритичности в [12] используется специальный численный метод, основанный на методе характеристик с использованием сплайнов. На наш взгляд, для решения этой задачи более эффективны спектральные методы с разложением по синусам и косинусам, совпадающими с собственными функциями линейной теории устойчивости [66].

Расчеты трехмерной конвекции проводились в [1−9,18] с жесткими и в [1019] со свободными граничными условиями. Использование суперкомпьютеров сделало реальным прямое численное моделирование турбулентной конвекции [1−7,12−14], но, к сожалению, большая сложность такого моделирования, его огромная ресурсоемкость и, как следствие, значительная стоимость обусловили небольшое число подобных работ и проведение надежных и достаточно подробных расчетов пока еще в перспективе. Заметим, что в [1,2,13,14,17] использован псевдоспектральный метод, причем в [2] использована программа [1], а в [3−7] - метод конечных разностей, хотя, как уже отмечалось выше, в таких задачах спектральные (псевдоспектральные) методы более эффективны.

72]. В работах [13,14] рассчитывалась трехмерная конвекция в воздухе со сво.

3 4 бодными горизонтальными границами при надкритичности г = 9.8−10 и 3.3−10, соответственно, причем учитываемое число гармоник [96×96×97] кажется явно недостаточным для такой высокой надкритичности.

Очень интересен совместный анализ результатов расчетов, выполненных со свободными и жесткими горизонтальными границами при И. а = 106 и 10 < Рг < 10 [18] (с использованием данных [19]). Показано, что в обоих случаях качественно похожие зависимости чисел Нуссельта и Рейнольдса от числа Прандтля претерпевают перестройки при Рг = 1, причем при Рг < 1 различие чисел Нуссельта и Рейнольдса выражено слабее и более того, числа Рейнольдса (и, следовательно, кинетическая энергия и среднеквадратичная скорость) при Рг —> 0 практически совпадают.

С целью многократно уменьшить используемые вычислительные ресурсы, рассматривают конвекцию жидкости в двумерной постановке. При конвекции в узком канале оси валов параллельны короткой стенке канала и перпендикулярны длинным стенкам. При конвекции в лабораторной модели бесконечно длинного прямого канала — кольцевом канале между коаксиальными цилиндрическими стенками, валы располагаются в радиальном направлении, перпендикулярно стенкам, если канал не слишком широк [59].

Конечно, при надкритичности порядка 10 (Рг = 10) стационарные валы становятся неустойчивыми к трехмерным возмущениям, и течение становится трехмерным [47]. Но, логично ожидать, что в начале своего возникновения трехмерность еще не является доминирующим фактором и законы изменения основных интегральных величин еще мало отличаются от двумерных. Грубую оценку величины надкритичности, выше которой трехмерность является доминирующей можно получить из рассмотрения динамики вихревого масштаба [64].

В самом деле, в работе [64] показано, что кардинальное отличие двумерных течений от трехмерных — различное поведение вихревого масштаба, который в двумерной конвекции растет, а в трехмерной — уменьшается с ростом надкритичности. Указанная тенденция роста вихревого масштаба в двумерной конвекции проявляется при г > гт, гт = 36 (при, а = 1 и Рг = 10), а именно, при г < гт масштаб вихрей в двумерной, также как и в трехмерной конвекции уменьшается, а при г > гт — увеличивается до величины порядка горизонтального размера области. Естественно ожидать, что и это различие в поведении вихревого масштаба становится доминирующим не сразу после его появления. Таким образом, можно ожидать примерного соответствия степенных законов изменения средних величин при увеличении надкритичности в двумерной и трехмерной конвекции примерно до значений порядка 100. Причем для консервативных величин, например, пространственных и временных спектров, слабо зависящих от надкритичности, пространственного разрешения и размерности [58,60], интервал соответствия может быть много больше.

Сказанное подтверждает то, что в двумерной и трехмерной конвекции со свободными границами в области умеренной горизонтальной протяженности 71, пространственные спектры пульсационных полей температуры и скорости совпадают практически полностью [58,60].

Отметим также качественное соответствие временных спектров числа Нуссельта при г = 950, полученных в двумерных и трехмерном расчетах и согласование результатов двумерного расчета с экспериментом по энергетическому спектру среднеквадратичных пульсаций температуры в центре ячейки при надкритичности г = 6.4−10 [58].

В работе [73] рассмотрена двумерная конвекция, возникающая при подогреве сбоку, при этом по некоторым характеристикам было получено хорошее согласие расчетных и экспериментальных данных.

В работах [17,27−38] рассматривалась двумерная конвекция со свободными, а в работах [20−26] - жесткими граничными условиями. В работе [26] исследовался начальный этап развития конвекции при внезапном нагреве нижней границы в области большой горизонтальной протяженности при Ид < 106 и Рг = 0.7. Сложные режимы двумерной конвекции при высокой надкритичности исследовались в работах [21−23,35−38]. В [30,31] рассматривались стохастические режимы двухдиффузиоиной конвекции при сравнительно невысокой над-критичности и исследовалась структура стохастического аттрактора. В работах [34,35,38] конвекция при высокой надкритичности рассматривается в приближении бесконечно большого числа Прандтля. В работе [34] рассматриваются стационарные решения, в [35] на основании расчетов двумерной конвекции со свободными граничными условиями получен закон для числа Нуссельта № ~ Иа0'301, а в [38] показано, что интегральные характеристики конвекции сильно зависят от аспектного отношения (длина области отнесенная к высоте), например, число Нуссельта изменяется при этом в несколько раз.

В работах [21,22] были рассчитаны конвективные течения в квадратной области при огромной надкритичности (до г ~ 9.6−104), но разрешимость в горизонтальном направлении при такой надкритичности кажется явно недостаточной (129 и 257 гармоник в работах [21] и [22], соответственно).

В работе [37] рассматриваются периодические в горизонтальном направлении двумерные конвективные течения в области горизонтальной протяженности 3 со свободными горизонтальными границами. Расчеты выполнены псевдоспектральным методом с учетом до [1024×3076] гармоник, причем число.

8 14.

Рэлея изменяется от 10 до 10. Некоторые результаты этой работы требуют уточнения или дополнительных пояснений, а именно, странным кажется постоянное при г > 1012 число Нуссельта и явно заниженный показатель степенного закона для числа Рейнольдса (Яе ~ г0'25). Возможно, что указанное несоответствие известным экспериментальным данным и здравому смыслу обусловлено плохой сходимостью тригонометрических рядов, часто наблюдающейся при решении нелинейных задач с учетом чрезмерно большого числа гармоник.

В работе автора [63] описаны результаты численного моделирования двумерной конвекции со свободными и жесткими граничными условиями при высокой надкритичности (до г = 3.4−104 для свободных и г = 7−10 — жестких граничных условий), но результаты расчетов при сравнительно небольшой надкритичности г < 103, а также степенные законы для числа Нуссельта и других интегральных величин потребовали уточнений.

Большое значение имеет исследование динамики пространственных спектров температуры и скорости в двумерных и трехмерных расчетах, так как наличие определенных спектральных законов указывает, во первых, на развитый характер течения и, во вторых, на то, какие конкретные физические механизмы доминируют.

Диссипация и генерация энергии турбулентности растут при увеличении надкритичности примерно как г1'4. При достаточно большой надкритичности большие потоки переносимой энергии обуславливают формирование инерционных интервалов и спектров.

Известно два основных сценария развития конвективной турбулентности [74].

Сценарий Колмогорова, при котором предполагается, что температура ведет себя как пассивная примесь, предполагает наличие двух инерционных интервалов переноса энергий пульсаций температуры и скорости, с формированием одинаковых спектров к" 5/3, где к — волновое число в случае зависимости от пространственных переменных либо частота — от времени. Сила плавучести здесь существенной роли не играет.

Напротив, Р. Болджиано и А. Обухов (БО) предположили существование инерционного интервала для переноса энергии пульсаций температуры и в области больших масштабов равенство по порядку величины членов плавучести и нелинейного переноса. Это привело к спектрам к" 7/5 и к" п/5 для температуры и для скорости, соответственно. А при большом числе Прандтля возможен баланс между силой плавучести и силой вязкости, что приводит к спектру к" 5 для скорости.

В области малых масштабов в двумерных расчетах возможно появление.

1 э инерционного интервала переноса энстрофии (к' для температуры и к" для скорости), а в области больших — обратного (красного) каскада переноса энергии пульсаций скорости, направленного от масштаба генерации в область больших масштабов.

В экспериментах по турбулентной конвекции для пульсаций температуры наблюдался спектр пассивной примеси к" 5/3, БО к" 7/5 и к" 2'4 [42−44,49]. Для пульсаций скорости наблюдались спектр БО к" 11/5 и к" 1'35, но спектр Колмогорова к" 5/3 не обнаружен [44,46]. Физические механизмы появления спектров к" 2'4 и к" 1'35 для пульсаций температуры и скорости, отмеченных в экспериментальных работах [42] и [46], соответственно, пока еще не получили достаточного теоретического обоснования.

В немногочисленных численных исследованиях турбулентной трехмерной конвекции при высокой надкритичности для пульсаций температуры были по.

7/5 1 5аз лучены спектры БО к" и к" [1,4], но спектр пассивной примеси к не обна.

СИ 1 <�у ружен. А для пульсаций скорости — спектры к", к" и к [1,4,12], но спектр БО к" 11/5 не наблюдался. Отметим также не очевидную идентификацию спектров к" 1 и к" 5/3 для температуры и скорости, соответственно, в работе [1].

Участки со степенными законами к" 1 для температуры и скорости в работе [4] непосредственно предшествуют диссипативному интервалу и при их формировании могли быть существенны численные эффекты, неизбежно возникающие на краю спектров разностных операторов [67].

В [35] проведено моделирование турбулентной конвекции по двумерной.

1 ¦) модели бесконечного числа Прандтля, получены спектры к", к" для пульсаций температуры и к" 2 — скорости.

В работе [36] проведено моделирование двумерной конвекции со свободными от касательных напряжений горизонтальными границами и условием о периодичности в горизонтальном направлении при Иа = 10 и Рг = 1, для температуры получен спектр пассивной примеси к" 5/3. Однако, сделанный на основании анализа температурного спектра вывод о существовании красного каскада энергии представляется не достаточно обоснованным, так как анализ спектра скорости и потока энергии по спектру в этой работе не проводился.

В трехмерной турбулентности кинетическая энергия переносится из области генерации в мелкие масштабы, где она диссипируется. А в двумерных течениях возможно появление двух инерционных интервалов, по которым реализуются прямой каскад переноса энстрофии (к" для энергетического спектра скорости), обеспечивающий диссипацию и обратный (красный) каскад кинетической энергии со степенным законом к" 5/3, перекачивающий кинетическую энергию из масштаба генерации в область больших масштабов [74].

Обратный каскад энергии можно рассматривать как процесс самоорганизации турбулентности (рождение порядка из хаоса), в результате чего из поля мелкомасштабных пульсаций формируются крупномасштабные когерентные структуры. Такой каскадный процесс наблюдается в двумерных, вращающихся течениях, в плазме и волнах на поверхности жидкости [75]. Очевидна важная роль красного каскада энергии для течений в океане и атмосфере. В самом деле, наряду с вихрями сравнительно небольшого масштаба (порядка 1 км), в океане существуют вихри огромного размера (до 103 км), движения которых квазид-вумерны [61]. Существование таких огромных вихревых образований не представляется реальным без подпитки их энергией из более мелких масштабов.

Каскадные процессы в несжимаемой вязкой жидкости на основе двумерных уравнений Навье-Стокса исследовались в [76−83]. Во всех известных автору работах рассматривалась стационарная однородная двумерная турбулентность, расчеты проводились в квадратной области с периодическими граничными условиями и, как правило, с введением дополнительных членов, обеспечивающих стоки энергии на малых и больших масштабах. Чтобы получить стационарный в среднем процесс, в правую часть вводилась внешняя сила, осуществляющая подкачку энергии в виде белого шума.

Красный каскад энергии в электропроводящей жидкости (водный раствор А1аСГ) исследовался экспериментально в [75,82,84−86]. При этом течение создавалось путем пропускания через жидкость электрического тока, а роль внешней силы играли расположенные под слоем жидкости постоянные магниты.

В работах [76−78,81,82] наблюдался в установившемся (в среднем) течении красный каскад энергии со степенным законом к" 5/3. Однако, в [79,80,83] этот степенной закон наблюдался только на начальной стадии расчета, а при выходе на стационарный режим устанавливался спектр к". Подобную перестройку спектра автор [80] объясняет рождением самоподобных когерентных структур, 5 появление которых и обуславливает спектр к" на больших масштабах.

Эксперименты [75], проведенные в лотке размером 0.18м-0.18м также показали наличие четко идентифицируемого красного каскада энергии со степенси ным законом к", а на приводимых в работе трасерных фотографиях видно формирование крупномасштабной вихревой структуры.

В экспериментальном исследовании [85] тоже показано формирование спектра скорости с инерционным интервалом, отвечающим обратному каскаду энергии. Отмечено примерно пятикратное увеличение вихревого масштаба с ростом времени, причем временная динамика вихревого масштаба согласуется с законом, полученным теоретически. Вихревой масштаб определен здесь по волновому числу, отвечающему максимуму кинетической энергии.

В работе [82] делается попытка совместного численного и экспериментального исследования двумерной турбулентности, при этом в численном моделировании красный каскад виден более определенно.

В эксперименте [86] подкачка энергии создавалась на крупных масштабах большим числом (около 400) постоянных магнитов, расположенных так, чтобы течению не навязывалась какая-либо определенная пространственная структура и электрическим током, меняющим сложным образом свое направление во времени. Такая крупномасштабная генерация турбулентности обусловила наличие продолжительного и четко идентифицируемого спектра энстрофийного каскада к" .

В численных исследованиях каскад энстрофии наблюдается менее устойчиво, чем красный [79]. Степенной закон энстрофийного каскада был исследован в [77,79], но рассчитанные в этих работах показатели степенного закона сильно отличаются от -3 и показывают более крутой наклон, а именно: от -5 до -3.5 в [77] и круче -5 — в [79]. Отмеченное расхождение объясняется наличием когерентных вихревых структур, очень устойчивых и имеющих примерно одинаковый размер [74].

Интересное численное исследование проведено также в трехмерной вращающейся турбулентности [87]. Установлено, что при достаточно сильном вращении начинается отток подкачиваемой с помощью внешней силы энергии к большим масштабам, и течение становится квазидвумерным. В зависимости от величины аспектного отношения области (диаметр, отнесенный к высоте).

С/'З -1 наблюдался спектр к" при больших и к" - малых ее значениях. Спектр к' получен также по размерности из предположения, что скорость вращения является определяющим параметром.

В работе [88] описаны результаты совместного численного и экспериментального исследования турбулентности в вертикально стекающей под действием силы тяжести мыльной пленке, где турбулентность генерируется горизонтально и вертикально расположенными цилиндрами. Несмотря на ощутимый разброс в полученном численном и экспериментальном спектрах, автор выделяет инерционные интервалы, соответствующие прямому и обратному каскадам энстрофии и энергии.

Роль и проявление каскадных процессов в конвективной турбулентности пока не исследованы. А между тем, именно различие в каскадных процессах обуславливает качественное различие между двумерной и трехмерной конвективной турбулентностью при высокой надкритичности.

В численных и экспериментальных работах большое внимание уделяется исследованию важнейшей характеристики турбулентной конвекции — теплообмену. Но, экспериментальные и расчетные данные по теплообмену противоречивы и зависимость числа Нуссельта от надкритичности требует дальнейшего исследования.

7 3.

В самом деле, в ряде экспериментов при 11а ~ 10 (г ~ 7−10) наблюдалось изменение степенного закона от N11 ~ г1/3 до № ~ г277, что трактуется как переход от режима «мягкой» к режиму 'жесткой' турбулентности [89]. Подобная перестройка наблюдалась и в расчете [21].

С другой стороны, в других экспериментальных [40,41] и численном [5] исследованиях при увеличении надкритичности зафиксирован выход на асим.

1 л птотический степенной закон Nu — г, означающий независимость теплообмена (числа Нуссельта) от толщины слоя [89].

И более того, в трехмерных расчетах при высокой надкритичности [4] отмечена обратная последовательность степенных законов — при г ~ 3-Ю5 «жесткая» турбулентность сменяется «мягкой». Отметим также, что другие экспериментальные работы, обзор которых можно найти в [41], содержат и.

П 11 другие степенные законы, близкие к Nu ~ г ' .

Интересный и поучительный пример неоднозначности степенных законов конвекции дает совместный анализ трех экспериментальных работ [43,55,57]. Все эти исследования проведены с использованием в качестве рабочей жидкости газообразного гелия при криогенной температуре, в области цилиндрической формы с аспектным отношением 0.5. Однако, полученные в экспериментах [43,55] законы изменения числа Нуссельта как функции надкритичности отличаются качественно от результатов [57].

В самом деле, измеренные в работе [55] числа Нуссельта вплоть до Ra = 1014 следуют закону Nu = 0.17-Ra0'29, близкому к закону «жесткой» турбулентности. В работе [43] при 10б < Ra < 1017 получен закон Nu = 0.124-Ra0'309. А согласно данным [57], степенной закон «жесткой» турбулентности трансформируется в Nu = 0.0225-Ra0375 при 2-Ю11 < Ra < 2-Ю14, что вступает в противоречие с результатами [43,55]. Указанное несоответствие результатов измерений еще не получило достаточно убедительного объяснения и должно стать объектом дальнейшего исследования.

Итак, целью данной работы является описание предложенного автором специального спектрально-разностного метода, результатов его линейного и нелинейного (на модельной нелинейной системе уравнений) анализа, тестовых расчетов и результатов расчетов различных (в том числе и стохастических) режимов трехмерной и двумерной конвекции со сравнительным анализом законов изменения интегральных величин, а также исследование каскадных процессов, динамики спектров для температуры и скорости.

Заключение

.

В двумерной и трехмерной постановках рассмотрена задача о конвекции несжимаемой жидкости между двумя горизонтальными изотермическими плоскостями при подогреве снизу. При трехмерном моделировании горизонтальные границы предполагаются свободными от касательных напряжений, а в двумерном — свободными либо жесткими. За исключением нескольких тестовых расчетов, в которых проводятся сравнения с данными других авторов или экспериментом, число Прандтля равно 10.

В случае свободных от касательных напряжений горизонтальных границ, решения двумерной и трехмерной задач разыскиваются в виде суперпозиции собственных функций линейной теории устойчивости, которые выражаются через косинусы и синусы по всем направлениям.

Двумерная задача с условием прилипания на горизонтальных границах решается с использованием Фурье декомпозиции по косинусам и синусам в горизонтальном направлении и конечно-разностного представления — в вертикальном. При решении всех задач постановка граничных условий на боковых границах следует из представления решения.

Предложен специальный спектрально-разностный (псевдоспектральный) численный метод для моделирования сложных течений трехмерной и двумерной конвекции, первого порядка по времени и второго по пространству.

В случае конвекции со свободными горизонтальными границами при Рг = 1 выписаны явные выражения для инкрементов нарастания гармоник в линейных аналогах дифференциальной задачи и предлагаемого численного метода. Показано, что коэффициенты при т и Н2, в членах, описывающих схемный эффект, не зависят от числа Рэлея, а определяются волновыми числами.

А в случае двумерной конвекции с жесткими горизонтальными границами сравнивается спектральная кривая, рассчитанная методом ортогонализации из системы линеаризованных исходных уравнений и приближенная, полученная численно из линейного аналога предлагаемого численного метода.

Показано, что несмотря на то, что численный метод строится как метод первого порядка по времени и второго по пространству, схемный эффект при линеаризации исходной системы уравнений есть величина порядка ОСт2+Н2) и, следовательно, спектральные характеристики численного метода и исходной дифференциальной системы уравнений близки, что гарантирует правильную динамику бесконечномалых возмущений.

Нелинейный анализ, проведенный на модельной нелинейной задаче показал, что понижение порядка аппроксимации численного метода по времени до первого приводит лишь к незначительному снижению точности вычислений, при этом с первым порядком вычисляется фаза гармонического решения, в то время как его амплитуда — со вторым. Показано, что для практических вычислений можно использовать схему первого порядка аппроксимации по времени, с вычислением поля скоростей при учете нелинейного переноса по функции тока, полученной на первом этапе расщепления.

В качестве теста, результаты расчета предлагаемым спектрально-разностным методом стационарной 2d, free конвекции сравниваются с результатами других авторов [15,32,33] при надкритичности г < 10 и по более простой модели бесконечного числа Прандтля [34] - при г < 2*10. Отмечено хорошее совпадение по числу Нуссельта.

Результаты тестового расчета стохастической двухдиффузионной конвекции при RT = Rs = 1.5−104 хорошо согласуются с данными расчетов [30,31], в частности, соответствующие проекции решений на плоскость амплитуд первых гармоник функции тока и температуры представляются совпадающими с графической точностью. По методике, близкой к предложенной в [30,31], в этой серии тестовых расчетов контролировалась невязка, ее относительное значение не превосходило 1%.

Результаты экспериментов по стационарной, валиковой конвекции [45] при надкритичности (1 < г < 4) сопоставляются с данными 3d, free, 2d, free и 2d, rigid расчетов. Во всех расчетах отмечено хорошее согласование профиля средней температуры и изотермы полной температуры и, дополнительно, результаты 2d, rigid расчета хорошо согласуются с данными эксперимента по числу Нуссельта и удовлетворительно — по зависимости доминирующей длины волны от надкритичности.

Проведением при г = 6−10 на разных ПК двух 2d, free расчетов, с полностью совпадающими компьютерными кодами, трансляторами, числом учитываемых гармоник, начальными и граничными условиями, показано, что при сопоставлении параметров сложных конвективных течений имеет смысл, в основном, сопоставление средних (интегральных) характеристик, которые вычисляются достаточно устойчиво. А анализ мгновенных величин можно проводить только при достаточно высокой точности вычислений и на малом отрезке времени. В рассмотренном примере, при проведении вычислений на разных ПК с двойной (Real*8) точностью все анализируемые интегральные величины и профили практически совпадали между собой, а вычисленные мгновенные значения числа Нуссельта существенно отличались при t > 0.18. Качественно аналогичная ситуация наблюдалась и при проведении вычислений с точностью Real* 16. л.

Два тестовых расчета, проведенные при г = 6−10 с учетом [129×33] гармоник и точностью вычислений Real* 8 и Real* 16, также показали практическое совпадение интегральных характеристик. л.

Была проведена серия методических расчетов при г = 6−10 с учетом [129×33], [257×65], [513×129], [1025×257] и [2049×513] гармоник, анализ результатов которой показал, что наблюдается сходимость:

• всех анализируемых интегральных величин,.

• профилей средней температуры, среднеквадратичных пульсаций температуры, вертикальной и горизонтальной скорости,.

• одномерных пространственных спектров температуры и скорости.

И дополнительно, сравнение временных спектров числа Нуссельта, полученных с учетом [513×129] и [1025×257] гармоник, показало их качественное подобие с совпадением положений максимумов и законов затухания на высоких частотах.

Интегральные характеристики, полученные другим методом — модифицированным методом Галеркина (псевдоспектральным), основанным на вычислении нелинейных членов в физическом пространстве на разностной сетке, имеющей в каждом направлении в два раза больше точек, чем гармоник в том же направлении и схеме Рунге-Кутта четвертого порядка для интегрирования по времени, хорошо согласуются с результатами расчетов предлагаемым спектрально-разностным методом стохастических течений двухдиффузионной конвекции и конвекции при надкритичности до г = 2−10 .

Для иллюстрации возможности проводить 2d, rigid расчеты стохастических течений предлагаемым методом при высокой надкритичности, сравнивались л числа Нуссельта, полученные в настоящей работе и [21] при г < 6−10. Среднее отклонение значений было равно 2.8, а максимальное — 3.9% при г = 6−10. И более того, наши расчеты подтвердили отмеченную в [21] смену степенного закона с 1/3 на 2/7 при г ~ 3−10 в зависимости Nu от г.

Проведено также сравнение временного энергетического спектра (квадрата модуля Фурье преобразования функции времени) пульсаций температуры в центре конвективной ячейки, полученного в 3d, free (при г = 410) и 2d, free (г = 6.4−10) расчетах с данными эксперимента по турбулентной конвекции газообразного гелия при криогенной температуре [42]. Надкритичность и число Прандтля в расчетах и эксперименте совпадали. Спектры характеризуются большой консервативностью со слабой зависимостью от надкритичности, временного и пространственного разрешения, а также размерности. Размещение датчика температуры в центре конвективной ячейки в эксперименте обуславливает сравнительно слабую зависимость результатов измерений от геометрии области и граничных условий.

Все вышесказанное показывает правомерность сопоставления данных эксперимента с результатами двумерного и трехмерного расчетов. Данные эксперимента хорошо согласуются с результатами трехмерного и двумерного расчетов, заметное отклонение наблюдается только на диссипативных частотах.

Показано, что кардинальное различие 2с1,&ее и ЗсЦгее решений — принципиально разное поведение вихревого масштаба при увеличении надкритично-сти, растущего до значения порядка размера области в двумерной конвекции и уменьшающегося примерно обратно пропорционально корню двенадцатой степени из надкритичности — в трехмерной. Указанная тенденция роста вихревого масштаба в двумерной конвекции проявляется с появлением нестационарности, вихревой масштаб достигает своего минимального значения при г = гт, гт ~ 36 (при, а = 1), а затем увеличивается с ростом надкритичности до значения порядка размера области. Незначительное увеличение вихревого масштаба (до ~ 0.9%) наблюдалось и в расчетах стационарных однои двухвихревых течений.

В работе исследовались характеристики двумерной 2сЦгее конвекции в областях относительно большой С = 4тг и умеренной С = л горизонтальной протяженности и трехмерной ЗсЦгее конвекции при горизонтальной протяженности области равной я в обеих горизонтальных направлениях.

Различие в характеристиках двумерных 2(1,&-ее течений при конвекции в областях умеренной и большой горизонтальной протяженности обусловлено:

• различным вихревым масштабом, по порядку величины равным размеру области,.

• увеличением роли силы плавучести, наиболее существенной на больших масштабах,.

• ростом отношения масштабов плавучести и генерации и.

• увеличением генерации, переноса и диссипации кинетической энергии.

В самом деле, выражение для силы плавучести, в отличие от остальных членов уравнения для скорости, не содержит каких-либо производных (сист. (1) и (2) главы 1) и поэтому ее вклад наиболее существенен на больших масштабах. Сила плавучести входит в уравнение только для скорости. Отсюда следует, что при последовательном увеличении горизонтальной протяженности области, первоначально увеличение роли силы плавучести отразится в спектрах скорости, а потом и температуры.

В двумерных 2сЦгее и трехмерных ЗсЦгее расчетах вычислялись и анализировались временные и пространственные спектры температуры и скорости. Наблюдаемая в расчетах динамика пространственных спектров укладывается в рамки предложенного в работе качественного физического сценария.

Согласно этому сценарию, при умеренной горизонтальной протяженности области в двумерных и трехмерных расчетах, действие силы плавучести, наиболее существенное на больших масштабах, должно обусловить стратификационный спектр для скорости. В то же время, действие силы плавучести на температуру еще незначительно, что с учетом доминирования конвективного переноса для температуры должно приводить к спектру пассивной примеси к" 5/3.

С увеличением горизонтальной протяженности области в 2с1,&ее расчетах диссипация кинетической энергии, ее генерация и поток к малым масштабам растут и, как естественно полагать, становится также существенным поток энергии к большим масштабам. Следовательно, в спектре скорости должны появиться степенные законы, соответствующие инерционному интервалу переноса энстрофии в малые масштабы, что обеспечивает диссипацию (к" - прямой каскад энстрофии) и кинетической энергии в большие, с формированием крупномасштабной структуры течения (к" 5/3 — обратный или красный каскад энергии). А увеличение роли силы плавучести должно приводить к стратификационному спектру для температуры.

С другой стороны, формирование красного каскада энергии при дальнейшем увеличении надкритичности приводит к перекачке энергии пульсаций скорости в большие масштабы, поле скорости становится крупномасштабным при относительно низком уровне пульсаций, и возникает своеобразный вязко-конвективный интервал, где пульсации температуры управляются крупномасштабным полем скорости, в результате чего в спектре температуры вместо стратификационного спектра должен появиться спектр Бэтчелора к" 1 [74].

Заметим так же, что после формирования обратного каскада энергии его энергетическая роль неизбежно должна падать, что обусловлено отсутствием диссипации на больших масштабах. В свою очередь, диссипация энергии растет с увеличением надкритичности и горизонтальной протяженности области, обуславливая этим усиление прямого каскада энстрофии и приводя к установлению единого степенного закона в спектре скорости, близкого к закону энст-рофийного каскада к'3.

Описанный физический сценарий подтверждается тем, что при двумерной 2сЦгее и трехмерной ЗсЦгее конвекции в области умеренной горизонтальной протяженности для пульсаций температуры получены спектры к" 5/3 и к" 2'4. Эти спектры наблюдались в экспериментах по турбулентной конвекции. Ясного физического и теоретического обоснования для второго из перечисленных спектров до сих пор не получено, первый спектр указывает на поведение температуры как пассивной примеси, без доминирующей роли плавучести.

А для пульсаций скорости в расчетах получены стратификационные спектры Болджиано-Обухова (БО) к" 11/5 и к" 5 и, дополнительно, в трехмерной постановке стратификационный спектр Ламли-Шура (ЛШ) к" 3. Все перечисленные здесь спектры имеют стратификационную природу, а спектры БО и ЛШ наблюдались в экспериментах по лабораторной конвекции и атмосфере.

С/-5.

Однако, спектр Колмогорова к", наблюдавшийся для пульсаций скорости в некоторых численных исследованиях с различной степенью убедительности, в трехмерных расчетах настоящей работы получен не был, также как и в немногих известных экспериментальных исследованиях турбулентной конвекции, в которых исследовались спектры пульсаций скорости. Отсутствие спектра Колмогорова в наших трехмерных расчетах объясняется недостаточно высоким значением числа Рейнольдса. Его значение, вычисленное по характерной скорости и высоте слоя не превосходит 44, а значение внутреннего числа Рейнольдса, определенного по характерной скорости и вихревому масштабу — 21.4, в то время как начало развития турбулентности связывается со значением 15.

Подчеркнем, что практически полное совпадение спектров температуры и скорости в 2с1,?гее и ЗсЦгее расчетах в области умеренной горизонтальной протяженности? = я наблюдается во всем рассмотренном диапазоне изменения надкритичности, при г <3.4−104 в двумерных и г < 950 — трехмерных расчетах.

С описанным выше физическим сценарием согласуется и перестройка спектров температуры и скорости при 2с1,1тее конвекции в области относительно большой горизонтальной протяженности? = 4п.

При 500 < г < 4−10 на длинноволновом участке спектра скорости наблюдаются одновременно два разных спектра, соответствующие двум конкурирующим механизмам — плавучести и обратному каскаду энергии. Это сосуществование двух различных спектров (к" 5/3 и к" 11/5) обуславливает их нечеткую идентификацию и в некотором смысле условное проведение верхней границы г = 4−10 этого сосуществования по надкритичности.

При значении надкритичности 4−103 < г < 104 в спектре скорости одновременно наблюдаются два инерционных интервала, соответствующие обратному (красному) каскаду энергии со степенным законом к" 5/3, перекачивающему кинетическую энергию из масштаба генерации в крупные масштабы и прямому каскаду энстрофии со степенным законом к", обеспечивающему диссипацию. А при г > 104 в спектре скорости видна тенденция к установлению единого степенного закона к" 2'6, близкого к закону энстрофийного каскада.

Перестройка спектра скорости при г ~ 104 подобна отмеченной в численных [79,80,83] и экспериментальном [84] исследованиях двумерной турбулентности и обусловлена формированием крупномасштабной структуры течения. В самом деле, относительное ослабление энергетической роли обратного каскада переноса энергии к большим масштабам (крупномасштабная структура поля скорости уже сформирована, а диссипация энергии пренебрежимо мала на больших масштабах) и усиление прямого каскада энстрофии из-за роста диссипации обуславливает тенденцию установления единого степенного закона к" 2'6, близкого к закону энстрофийного каскада. Последнее находится в некотором противоречии с результатами численного [77] и экспериментального [84] исследований двумерной турбулентности, где спектр в интервале переноса энст-рофии заметно круче. Это различие, предположительно, связано с действием присутствующей в конвекции силы плавучести, в результате чего степенной закон энстрофийного каскада заменяется более пологим, но простирающимся в область волновых чисел, меньших частоты генерации.

В длинноволновом спектре температуры при умеренной надкритичности.

3 7/5.

750 < г < 2−10 наблюдается стратификационный спектр БО к", который при.

Л -3 1 о.

2−10 < г <6−10 заменяется на спектр Бэтчелора k". А при г > 6−10 показатель степени (3 степенного закона к" р принимает значения из интервала [0.7,1], с наиболее вероятным значением 0.8.

Подобная перестройка наблюдалась экспериментально в физически похожей задаче о конвекции в вертикальной мыльной пленке при подогреве снизу [109]. В спектре температуры при dQ < 48° К там наблюдался стратификаци.

7/С 1 онный спектр БО k", а при dQ > 48° К — Бэтчелора к". Авторы [109] связывают перестройку температурного спектра с формированием крупномасштабной структуры течения.

Конечно, перестройка температурного спектра при г ~ 2−103 (спектра скорости при г ~.

4−100 связана с формированием крупномасштабной структуры, течения (конденсацией), что обусловленно действием обратного каскада энергии. При меньшей надкритичности красный каскад энергии еще не сформирован и силы плавучести, существенные на больших масштабах, обуславливают стратификационный спектр БО для температуры к" 7/5 (к" 11/5 для скорости). Но, с повышением надкритичности энергетическая роль красного каскада усиливается и благодаря его действию происходит перекачка энергии пульсаций скорости в большие масштабы, поле скорости становится крупномасштабным при относительно низком уровне пульсаций и возникает своеобразный вязкокон-вективный интервал, где пульсации температуры управляются крупномасштабным полем скорости, что и обуславливает появление спектра Бэтчелора к" 1. Понижение энергетической роли обратного каскада энергии при г > 104 обуславливает тенденцию к установлению единого степенного закона в спектре скорости и колебания показателя длинноволнового спектра пульсаций температуры (при г < 6-Ю3).

Во введении отмечено, что при сопоставлении данных по трехмерной конвекции со свободными и жесткими граничными условиями следует ожидать хорошего соответствия пульсационных характеристик температуры и вертикальной скорости, так как для них граничные условия на горизонтальных границах правильные и их динамика определяется, в основном, подогревом и гравитацией. Хорошее соответствие можно ожидать также для числа Рейнольд-са, среднеквадратичной скорости и кинетической энергии, так как они определяются, главным образом, вертикальной скоростью.

Существенное отличие конвекции со свободными границами от конвекции с жесткими — возможность неравенства нулю значений вертикальной компоненты завихренности, что обуславливает возможное вращение вокруг вертикальной оси, а направленная горизонтально скорость такого вращения и отличие в граничных условиях для нее, обуславливает возможное расхождение в характеристиках, связанных с горизонтальной скоростью. Заметим, что при двумерном моделировании вертикальная компонента завихренности равна нулю тождественно и согласование среднеквадратичных пульсаций горизонтальной скорости при двумерной конвекции со свободными и жесткими граничными условиями лучше, чем вертикальной. Результаты 2с1,&ее расчетов, при этом, хорошо согласуются с экспериментальными данными по числу Нуссельта даже при высокой надкритичности и удовлетворительно — по величине среднеквадратичных пульсаций горизонтальной скорости [63].

При рассмотрении результатов двумерных расчетов необходимо учитывать, что при надкритичности порядка 10 стационарные валы становятся неустойчивыми к трехмерным возмущениям, и течение становится трехмерным. Но логично ожидать, что в начале своего возникновения трехмерность еще не является доминирующим фактором и законы изменения основных интегральных величин еще мало отличаются от двумерных. Грубую оценку величины надкритичности, выше которой трехмерность является доминирующей, можно получить из рассмотрения динамики вихревого масштаба.

Уже отмечалось выше, что кардинальное отличие двумерных течений от трехмерных заключается в различном поведении вихревого масштаба при увеличении надкритичности, который в двумерной конвекции растет, а в трехмерной — уменьшается. Указанная тенденция роста вихревого масштаба в двумерной конвекции проявляется при г > гт, где гт ~ 36 (при, а = 1). Естественно ожидать, что и это различие в поведении вихревого масштаба становится доминирующим не сразу после его появления. Таким образом, можно ожидать примерного соответствия степенных законов изменения средних величин при увеличении надкритичности в двумерной и трехмерной конвекции примерно до значений порядка 100. Причем результаты вычисления и сравнительного анализа пространственных и временных спектров в двумерных и трехмерных расчетах при, а = 1 показывают, что для консервативных величин, слабо зависящих от надкритичности и пространственного разрешения, интервал соответствия может быть много больше.

Сказанное подтверждается тем, что величина среднеквадратичных пульсаций температуры как функция надкритичности в Зё/гее расчетах с хорошей точностью соответствует степенному закону.

Я* = 0.163 т2/15 при г> 150, показатель которого совпадает с полученным в эксперименте [53] и близок к расчетному [1].

А результаты 2сЦгее расчетов с хорошей точностью соответствуют степенному закону (при 170 < г < 305 рассматривается верхняя ветвь решения) = 0.316т02 при 40 < г < 305, показатель которого совпадает с полученным в экспериментах по конвекции газообразного Не при криогенной температуре при более высокой надкритичности [55].

Отметим, что в двумерных расчетах (при г ~ 103 в 2d, free и г ~ 250 -2d, rigid) прослеживается качественное изменение зависимости величины среднеквадратичных температурных пульсаций от надкритичности — тенденция убывания сменяется возрастанием. Появление нефизичной тенденции возрастания температурных пульсаций обусловлено формированием крупномасштабной структуры течения.

А величина среднеквадратичных пульсаций вертикальной скорости в 3d, free расчетах с хорошей точностью соответствуют степенному закону.

W' = 15.8т0−395 при г >150, с показателем, близким к полученному в экспериментах [48,53] и расчете [1].

В двумерных расчетах соответствие наблюдается при сравнительно невысокой надкритичности (г < 250 в 2d, rigid и г < 305 — в 2d, free расчетах).

А именно, результаты 2d, rigid расчетов и данные эксперимента [48] показывают при надкритичности г < 250 практически совпадающие значения и показатели степенных законов. А степенные законы, аппроксимирующие результаты 3d, free и 2d, free расчетов имеют практически совпадающие при надкритичности г < 137 показатели, несколько завышенные по сравнению с полученными в эксперименте [48] (0.44) и численном расчете [1] (0.46), но значения среднеквадратичных пульсаций вертикальной скорости, полученные в 2d, free расчете при г < 305 согласуются с данными [1].

Отметим так же, что результаты 3d, free и 2d, free расчетов практически совпадают в диапазоне надкритичности 280 < г < 850 (при 170 < г < 305 рассматривается нижняя ветвь решения).

При достаточно большой надкритичности, двумерные расчеты показывают нефизично высокий рост среднеквадратичных пульсаций вертикальной скорости: W ~ г0'57 и W' ~ г0'715 — в 2d, rigid и 2d, free расчетах, соответственно. Это, как и в случае пульсаций температуры, обусловлено формированием крупномасштабной структуры течения.

Различие в пульсациях горизонтальной скорости при двумерном моделировании выражено слабее, чем в пульсациях вертикальной и данные 2d, free расчета удовлетворительно согласуются с экспериментом [63]. Результаты трехмерных и двумерных расчетов близки при г < 250.

Значение числа Nu в 2d, free расчетах хорошо согласуется с экспериментом при большой надкритичности. Причем, при г < 800 значения числа Нуссельта в 2d, rigid расчетах меньше и ближе к экспериментальной кривой, чем в 2d, free, а при г > 800 — наоборот.

В 2d, free и 2d, rigid расчетах настоящей работы при достаточно большой надкритичности наблюдается выход на асимптотический степенной закон, П близкий к Nu ~ г '. Показатель этого степенного закона близок к показателю степенного закона Nu ~ г0'356, полученного для стационарной, одновихревой конвекции.

Расчет интегральных характеристик стационарного, одновихревого течения в постановке [33], но в более широком диапазоне надкритичности г < 104, показал близость показателей степенных законов для основных интегральных величин в 2d, free расчетах и стационарном, крупномасштабном одно-вихревом течении, при практически полном их совпадении для кинетической энергии и среднеквадратичной скорости.

А в зависимости числа Нуссельта от надкритичности в 3d, free расчетах можно выделить два участка со степенными зависимостями:

Nu = 1.85 т0'302 при 20 < г <137 и Nu = 2.79 т0'230 при 150 < г <950.

Отметим, что при г < 137 показатель закона нарастания числа Нуссельта хорошо согласуется со значением 0.305 (эмпирический закон O’Toole и Silveston, 1961) и с полученным в 2d, free расчетах при г < 305.

В общем, последовательность степенных законов для числа Нуссельта в 3d, free расчетах соответствует полученной в 2d, free, но смена степенных законов в трехмерной конвекции происходит при меньшей надкритичности, чем в двумерной. Но числа Нуссельта, полученные в 2d, free расчетах, хорошо согласуются с экспериментом даже при высокой надкритичности [63]. Это и логика.

189 сопоставления степенных законов для числа Нуссельта в 2<3,1тее и ЗсЦгее расчетах указывает на необходимость проведения дальнейших расчетов трехмерной конвекции при более высокой надкритичности.

Суммируя все вышесказанное, сформулируем основные выводы работы:

1. Предложен и реализован в виде комплекса программ специальный спектрально-разностный численный метод расчета сложных, переходных течений трехмерной и двумерной конвекции, первого порядка по времени и второго по пространству.

2. В случае двумерной и трехмерной конвекции со свободными горизонтальными границами при Рг = 1 выписаны явные выражения для инкрементов нарастания гармоник в линейных аналогах дифференциальной задачи и предлагаемого численного метода. Показано, что коэффициенты при шагах по времени и пространству, в членах, описывающих схемный эффект, не зависят от числа Рэлея, а определяются только волновыми числами.

3. Показано, что несмотря на то, что в случае двумерной конвекции численный метод строится как метод первого порядка по времени и второго по пространству, в линейном приближении порядок аппроксимации по времени повышается до второго.

4. В случае двумерной и трехмерной конвекции спектральные характеристики численного метода и исходной дифференциальной задачи хорошо согласуются, заметные количественные отклонения наблюдаются только для инкрементов затухающих гармоник.

5. Средствами нелинейного анализа, проведенного на модельной нелинейной задаче в двумерной постановке, показано, что понижение порядка аппроксимации численного метода по времени до первого приводит лишь к незначительному понижению точности вычислений, при этом с первым порядком вычисляется фаза гармонического решения, в то время как его амплитудасо вторым. Показано, что для практических вычислений можно использовать схему первого порядка аппроксимации по времени с вычислением скоростей по функции тока, полученной на первом этапе расщепления.

6. Показано, что результаты 2d, rigid расчета стационарной, валиковой конвекции при невысокой надкритичности 1 < г < 4 с удовлетворительной точностью отражают зависимость доминирующей длины волны от надкритичности, хорошо согласуясь с данными эксперимента по числу Нуссельта, профилю средней температуры и изотерме полной температуры.

7. Тестовым расчетом с учетом различного числа гармоник, с учетом различного числа значащих цифр, сравнением с результатом расчета другим (псевдоспектральным) методом, показано, что все исследуемые интегральные величины вычисляются устойчиво и при увеличении числа учитываемых гармоник наблюдается сходимость их значений.

8. Сравнением величин разрешаемого и оцененного по результатам расчетов диссипативного масштабов показано, что при расчете двумерной и трехмерной конвекции разрешаемый масштаб всегда меньше диссипативного.

9. Предложено новое представление решения в горизонтальном х направлении и связанная с ним вычислительная постановка граничных условий на проницаемой, идеально теплопроводной стенке. Это делает возможным неравенство завихренности нулю на боковых границах при х = 0, я/а и существенно облегчает получение стохастических решений в задаче о двумерной конвекции со свободными границами.

10. Несмотря на наблюдаемые количественные расхождения между результатами 3d, free расчетов и экспериментом, трехмерные расчеты дают правильные показатели степенных законов изменения среднеквадратичных пульсаций температуры, вертикальной скорости, числа Рейнольдса, среднеквадратичной скорости и кинетической энергии от надкритичности при г > 150. В двумерных расчетах аналогичное соответствии наблюдается при сравнительно невысокой надкритичности (до г ~ 250) по среднеквадратичным пульсациям температуры (в 2d, free) и вертикальной скорости (в 2d, free и 2d, rigid расчетах).

11. Закон нарастания при высокой надкритичности числа Нуссельта, нефи-зичное поведение пульсаций вертикальной скорости и температуры, а также.

191 близость показателей степенных законов для числа Нуссельта, кинетической энергии, среднеквадратичной скорости и энстрофии в 2сЦгее расчетах и стационарном, одновихревом течении показывает, что в 2с1,?гее расчетах при высокой надкритичности формирование крупномасштабной структуры является доминирующим фактором, определяющим характеристики течения.

12. Процесс формирования крупномасштабной структуры течения в расчетах менее выражен из-за наличия конкурирующего механизма образования завихренности на горизонтальных границах. Показано, что в областях малой пространственной протяженности процесс формирования крупномасштабной структуры блокируется малым размером области и это делает возможным рост среднеквадратичного волнового числа.

В области умеренной горизонтальной протяженности л в 2сЦгее и ЗсЦгее расчетах:

13. Действие силы плавучести обуславливает стратификационные спектры для скорости, а доминирование конвективного переноса для температурык" 24 и спектр пассивной примеси к" 5/3. Причем, эти спектры наблюдались в двумерных и трехмерных расчетах во всем рассматриваемом диапазоне надкритичности.

В области большой 4л горизонтальной протяженности в 2сЦгее расчетах:

14. Показано, что при 500 < г < 4−103 длинноволновый участок спектра скорости состоит из двух ветвей, со степенными законами, отражающими конкурирующие механизмы, связанные с силой плавучести и каскадным процессом переноса энергии, а при 4−103 < г < 104 в спектре скорости.

4 СИ идентифицируются степенные законы к" и к", соответствующие прямому и обратному каскадным процессам переноса энстрофии и энергии. При дальнейшем увеличении надкритичности (г > 104) в спектре скорости видна тенденция к установлению единого степенного закона к" 2'6 — искаженного закона каскада энстрофии.

15. Показано, что при умеренной надкритичности 500 < г < 2−10 в спектре П температуры виден стратификационный спектр БО к", сменяющийся при.

О 1 о.

2−10 < г <6−10 спектромБэтчелора k". А при г > 6−10 показатель длинноволнового участка температурного спектра совершает колебания в интервале [-1,-0.7], с наиболее вероятным значением -0.8.

16. Перестройки спектров температуры (скорости) в двумерных расчетах связаны с формированием обратного каскада энергии при г ~ 2−103 (для скорости при г ~ 4−10) и уменьшением его энергетической роли при г~6−103(г~104).