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物理学 > 流体动力学

arXiv:2205.03175 (physics)
[提交于 2022年5月6日 ]

标题: 无限普朗特数内部加热对流的严格尺度定律

标题: Rigorous scaling laws for internally heated convection at infinite Prandtl number

Authors:Ali Arslan, Giovanni Fantuzzi, John Craske, Andrew Wynn
摘要: 新的界限被证明了关于平均垂直对流热输送,$\overline{\langle wT \rangle}$,对于无限普朗特数极限下的均匀内部加热(IH)对流。对于在等温边界之间的水平周期层中的流体,我们证明了$\overline{\langle wT \rangle} \leq \frac12 - c R^{-2}$,其中$R$是一个无量纲的“通量”雷诺数,用于量化内部加热的强度,以及$c = 216$。然后,$\overline{\langle wT \rangle} = 0$对应于仅由传导引起的垂直热输送,而$\overline{\langle wT \rangle} > 0$表示由于对流运动导致的向上垂直热输送的增强。 如果下边界是热绝缘体,则我们得到$\overline{\langle wT \rangle} \leq \frac12 - c R^{-4}$,其中$c\approx 0.0107$。这个结果意味着努塞尔数$Nu$,定义为总传热与导热传热的比值,满足$Nu \lesssim R^{4}$。这两个界通过将背景方法与流体温度的最小原理相结合,并利用 Hardy--Rellich 不等式来利用垂直速度和温度之间的联系而获得。在两种情况下,对$R$的幂律依赖性改进了之前已知的最佳界限,尽管这些界限在无限和有限普朗特数下都有效,但它们随着$R$指数级接近统一界限。
摘要: New bounds are proven on the mean vertical convective heat transport, $\overline{\langle wT \rangle}$, for uniform internally heated (IH) convection in the limit of infinite Prandtl number. For fluid in a horizontally-periodic layer between isothermal boundaries, we show that $\overline{\langle wT \rangle} \leq \frac12 - c R^{-2}$, where $R$ is a nondimensional `flux' Rayleigh number quantifying the strength of internal heating and $c = 216$. Then, $\overline{\langle wT \rangle} = 0$ corresponds to vertical heat transport by conduction alone, while $\overline{\langle wT \rangle} > 0$ represents the enhancement of vertical heat transport upwards due to convective motion. If, instead, the lower boundary is a thermal insulator, then we obtain $\overline{\langle wT \rangle} \leq \frac12 - c R^{-4}$, with $c\approx 0.0107$. This result implies that the Nusselt number $Nu$, defined as the ratio of the total-to-conductive heat transport, satisfies $Nu \lesssim R^{4}$. Both bounds are obtained by combining the background method with a minimum principle for the fluid's temperature and with Hardy--Rellich inequalities to exploit the link between the vertical velocity and temperature. In both cases, power-law dependence on $R$ improves the previously best-known bounds, which, although valid at both infinite and finite Prandtl numbers, approach the uniform bound exponentially with $R$.
评论: 28页,5图
主题: 流体动力学 (physics.flu-dyn) ; 数学物理 (math-ph)
引用方式: arXiv:2205.03175 [physics.flu-dyn]
  (或者 arXiv:2205.03175v1 [physics.flu-dyn] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2205.03175
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI
相关 DOI: https://doi.org/10.1063/5.0098250
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来自: Ali Arslan [查看电子邮件]
[v1] 星期五, 2022 年 5 月 6 日 12:43:11 UTC (913 KB)
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