二维封闭腔内有单极电荷注入时的流动不稳定性与传热研究

Electrohydrodynamics(EHD) usually finds its application in flow mixing, heat transfer enhancment and flow control. It is worth studing for both foundamental research and industrial application reason. This project will be devoted to study the flow instability and nonlinear evolution of EHD convection induced by unipolar injection in dielectric liquid. The parallel plate electrodes and the concentric annular electrodes are considered. The effects of geometric configuration, physical parameters and temperature on the flow instabiility and bifurcation are analyzed. Moreover, the effects of initial and boundary conditions are taken into consideration as well. The flow structure and the instabililty mechanisms are studied in detail in different flow regimes. The ability of heat tranfer ehancment for both types of electrodes are fucused on. The properties of heat transfer under different situations are summarized and compared. The study of flow bifurcation and heat transfer enhancement are in purpose of providing valuble reference for application.

电流体动力学常用来增强流动混合、增强传热和进行流动控制等，对其深入研究具有重要科学和工程意义。本项目研究介电流体在单极电荷注入时，电流体系统在等温和加热两种情况下的流动不稳定性和流动非线性演化过程。考虑平板电极与圆环电极两种典型构型，首先分析在几何因素和物理因素以及温度因素影响下的动力学失稳与分叉特性，研究初始条件与边界条件对分叉路径的影响，详细分析不同阶段流场结构特征与流动失稳机制；其次详细研究两种电极电场强化传热的效果，分析不同因素影响下电场强化传热的规律和机制，比较两种电极强化传热的异同点。从流体动力学分叉与增强传热两方面为工业应用提供参考。

有单极电荷注入情况下的电对流是电流体力学研究的一个基本问题，并且可以在许多工业生产中得到应用，比如EHD泵，EHD增强传热，EHD增强混合，EHD流动控制等。我们以抽象的二维和三维单极电荷注入模型作为研究对象，发展适用于电对流的二维与三维高效算法，结合整体线性稳定性分析与数值模拟工具，对典型几何参数与物理参数下的电对流失稳与非线性演化过程进行细致刻画，研究电场影响流动与传热的规律及其作用机制，以便为实际应用奠定理论基础。我们对二维电对流的研究发现了丰富的流动多解与分叉现象，发现了其它流动系统中很少见到的多迟滞现象，电场作用下的流动发展演化强烈依赖于初始边界条件。流动形式对离子迁移参数有一定的依赖性，电场强度较大时，根据参数的不同，流动可以是复杂的混沌流动也可以是简单的定常流动。对电热对流的研究结果表明复杂分叉与多解共存现象同样存在，电场作用可以表现出增强传热、抑制传热或是对传热无影响的效果。低普朗特数时，电场在低瑞利时增强传热的效果显著，高普朗特数时，电场在高瑞利时增强传热效率更大。电场作用受离子迁移性参数影响很大，低的离子迁移参数下流动随电场变化剧烈，高的离子迁移性参数下电场对流动结构和传热的影响都很微弱。三维计算显示了流动随电场力参数增加的演化过程，也表现出类似于二维的亚临界与超临界性质，并且三维情况流动结构变得更为复杂，对于大电场力参数作用下的结果有待进一步研究。以上结果可以作为工业设计的参考，对于应用于增强混合或是增强传热的装置需要选取不同的介质与构型，对于外加电场的强度也需要仔细考量。

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