УДК 536.25

КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН ЖИДКОСТИ В СФЕРИЧЕСКОМ СЛОЕ. ЧАСТЬ I

Соловьев Сергей Викторович
Приамурский государственный университет им. Шолом- Алейхема, г. Биробиджан
доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры информатики и вычислительной техники

Аннотация
Представлены результаты математического моделирования конвективного теплообмена несжимаемой жидкости в сферическом слое, моделирующем жидкое ядро Земли, при наличии равномерно распределенных внутренних источников тепла. Исследовано влияние внутренних источников теплоты на гидродинамику и теплообмен в слое.

Ключевые слова: внутренние источники тепла, конвективный теплообмен, моделирование, сферический слой


CONVECTIVE HEAT TRANSFER OF A LIQUID IN A SPHERICAL LAYER. PART I

Solovjov Sergei Viktorovich
Sholom-Aleichem PriAmursky State University, Birobidzhan
Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Department of Informatics and Computer Engineering

Abstract
The results of mathematical modeling of convective heat transfer of non-compressible fluid in a spherical layer simulating liquid core of the Earth, in the presence of uniformly distributed internal heat sources are represented. The influence of internal heat sources on the hydrodynamics and heat transfer in the layer is investigated.

Keywords: convective heat transfer, internal heat sources, modeling, spherical layer


Рубрика: 01.00.00 ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Соловьев С.В. Конвективный теплообмен жидкости в сферическом слое. Часть I // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 2. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/02/43473 (дата обращения: 03.06.2017).

В настоящее время считается, что тепловая или гравитационная конвекция в земном ядре является причиной, которая приводит к созданию геомагнитного поля [1,2]. Теория геомагнитного поля получила название гидромагнитного динамо (ГД) по аналогии с действием обычной динамо-машины с самовозбуждением. Математическая трактовка теории вихревого движения в ядре и возникновения в нем индукционных токов сложна и в общем виде до сих пор не получила своего решения [1], так как решение уравнений магнитной гидродинамики сопряжено с большими трудностями. Поэтому теория ГД еще использует кинематические модели, в которых скорость жидкости считается заданной, а определяется тепловое и магнитное поле [3]. Согласно этой концепции такой подход можно сравнить с электродинамикой слабых полей, которая не учитывает влияния электромагнитных полей на движение жидкости [3]. В этой связи исследование гидродинамики жидкого ядра Земли представляет самостоятельный интерес, который в дальнейшем позволит оценить влияние магнитного поля на гидродинамику при решении уравнений магнитной гидродинамики и теплообмена.
В настоящей работе рассматриваются полные уравнения магнитной гидродинамики: энергии, с учетом внутренних источников тепла, равномерно распределенных в жидкости [3], и джоулевой диссипации; движения, с учетом магнитных, инерционных, вязких и подъемных сил; магнитной индукции; неразрывности для скорости и магнитной индукции. Используется приближение Буссинеска. Ускорение свободного падения направлено к центру сферического слоя. Рассматривается стационарный режим.
Математическая постановка задачи в переменных вихрьфункция токатемпература в безразмерной форме в сферической системе координат с учетом симметрии по долготе имеет вид [4]:

 (1)
; (2)
 (3)
 (4)
 (5)

При записи системы дифференциальных уравнений (1)-(5) использованы следующие обозначения: , безразмерные температура, магнитная индукция, функция тока и напряженность вихря;  характерные масштабы;  безразмерный внутренний источник теплоты;  размерный внутренний источник теплоты;  размерный тепловой поток тепла, отводящийся от внешней поверхности слоя;  безразмерный текущий радиус;  размерный текущий радиус;  размерные радиусы внутренней и внешней сферы;  полярный угол; коэффициент магнитной вязкости;  электрическая проводимость жидкости;  безразмерная толщина сферического слоя; безразмерные числа Грасгофа, Рейнольдса, Пекле, магнитное число Рейнольдса, параметр магнитного взаимодействия. Остальные обозначения общепринятые. Постоянная величина J, входящая в уравнение энергии (3), определяет величину джоулевой диссипации. 
В работе при проведении вычислительного эксперимента для температуры задавались следующие граничные условия: на внутренней поверхности слоя  () граничное условие первого рода (постоянное значение температуры), а на внешней поверхности () граничное условие второго рода (отвод тепла) [2]: . Для заданных граничных условий постоянная величина вычислялась по формуле: .
Граничное условие для температуры на оси симметрии: .
Граничные условия для функции тока, напряженности вихря и магнитной индукции имели следующий вид:

;
.

Граничные условия для вихря на границах сферического слоя предполагают линейное изменение его по нормали [5].
Локальные числа Нуссельта на границе внутренней и наружной сферы рассчитывались по формулам:

Осредненные числа Нуссельта вычислялись из соотношений:

 

Численное решение задачи осуществлялось с помощью метода конечных элементов. Для аппроксимации рассчитываемых функций использовались билинейные девятиточечные конечные элементы. Система полученных нелинейных алгебраических уравнений решалась методом итераций с использованием нижней релаксации. В качестве начальных приближений задавались нулевые значения напряженности вихря, температуры, функции тока, радиальной и меридиональной составляющих магнитной индукции. Решение считалось достигшим нужной точности, если на текущей итерации для всех расчетных полей модуль разности между новым и старым значением поля в каждом узле становился меньше заданной погрешности. При расчете на каждой «внешней» итерации новых значений температуры, вихря и магнитной индукции, для расчета функции тока из разностного аналога уравнения Пуассона (2) осуществлялся «внутренний» итерационный цикл до достижения заданной степени точности. 
В результате численного решения задачи были получены поля температуры, функции тока, напряженности вихря, магнитной индукции и распределения чисел Нуссельта в сферическом слое.
На рисунках 16 приведены результаты расчетов полей температуры, функции тока, напряженности вихря, радиальной и меридиональной составляющих магнитной индукции и распределения чисел Нуссельта. Расчеты проводились для следующих значений безразмерных критериев подобия:

На рисунке 1 приведены результаты расчетов поля температуры. 

а б в г д е ж
Рисунок 1 – Поле температуры: а без учета магнитных сил,  б с учетом магнитных сил,  в с учетом магнитных сил,  г с учетом магнитных сил,  д с учетом магнитных сил,  е с учетом магнитных сил,  ж с учетом магнитных сил, 

Для всех режимов теплообмен в слое осуществляется конвекцией. Диапазон изменения температуры для результата рис. 1, а (13,840; 1). Такая же качественная и количественная ситуация сохраняется и для электропроводной жидкости (рис. 1, б). Учет джоулевой диссипации (рис. 1, в) изменяет поле температуры, особенно в экваториальной области. Диапазон изменения температуры (14,620; 1). Учет внутренних источников и стоков тепла, совместно с учетом джоулевой диссипацией (рис. 1, г, д), приводит к дальнейшему изменению поля температуры. Диапазон изменения температуры для результата рис. 1, г (9,240; 1,537), а для результата рис. 1, д (19,367; 1). Неучет джоулевой диссипации, несмотря на наличие внутренних источников (стоков) тепла (рис. 1, е, ж), изменяет поле температуры. Диапазон изменения температуры для результата рис. 1, е (11,367; 1), а для результата рис. 1, ж (17,981; 1).
На рисунке 2 приведены результаты расчетов локальных чисел Нуссельта на внутренней (красная линия) и внешней (зеленая линия) поверхности сферического слоя. 

   
а б в г  
д е ж

Рисунок 2 – Распределение локальных чисел Нуссельта: а без учета магнитных сил,  б с учетом магнитных сил,  в с учетом магнитных сил,  г с учетом магнитных сил,  д с учетом магнитных сил,  е с учетом магнитных сил,  ж с учетом магнитных сил, 

Следует отметить, что согласно заданному граничному условию для температуры на внешней границе слоя, распределение локальных чисел Нуссельта совпадает с осредненным и принимает постоянное значение 20 (здесь и далее). Распределения локальных чисел Нуссельта на внутренней границе слоя имеют или максимум (рис. 2, а, б, ж), или минимум (рис. 2, в-е) при значении полярного угла  (экваториальная плоскость). Значение осредненного и диапазон изменения локальных чисел Нуссельта следующие:
37,599; 4,96256,363; 37,599; 4,96256,363; 
29,411; 5,92968,228; 8,028; 3,05032,086; 
50,794; 14,493102,570; 16,198; 1,51943,750; 
59,001; 9,95784,268 соответственно для результатов рис. 2, а-ж.
На рисунке 3 приведены результаты расчетов поля функции тока. Для всех случаев в слое образуются две конвективные ячейки. Для результатов, представленных на рис. 3, а, б, ж, жидкость в северном полушарии слоя движется против часовой стрелки (красный цвет значения функции тока положительные), а в южном – по часовой стрелке (синий цвет значения отрицательные). Максимальное значение функции тока соответственно 5,65; 5,65; 6,77. Учет джоулевой диссипации (рис. 3, в), так же как и учет внутренних источников и стоков тепла, совместно с учетом джоулевой диссипации (рис. 3, г, д), изменяет направление циркуляции жидкости в ячейках на противоположное. Максимальное значение функции тока для результатов рис. 3, в-д 5,32; 3,66; 6,62. Неучет джоулевой диссипации, при учете внутренних источников тепла (рис. 3, е), сохраняет направление циркуляции жидкости, а учет внутренних стоков тепла (рис. 3, ж) изменяет направление циркуляции жидкости на противоположное, по сравнению с результатами рис. 3, в-е.

а                                 б                                 в                                 г                                 д                                 е                                 ж
Рисунок 3 – Поле функции тока: а без учета магнитных сил,  б с учетом магнитных сил,  в с учетом магнитных сил,  г с учетом магнитных сил,  д с учетом магнитных сил,  е с учетом магнитных сил,  ж с учетом магнитных сил, 

Максимальное значение функции тока для результата рис. 3, е 4,13.
На рисунке 4 приведены результаты расчетов поля напряженности вихря. В слое (рис. 4) образуются два крупномасштабных вихря. 

а                                 б                                 в                                 г                                 д                                 е                                 ж
Рисунок 4 – Поле напряженности вихря: а без учета магнитных сил,  б с учетом магнитных сил,  в с учетом магнитных сил,  г с учетом магнитных сил,  д с учетом магнитных сил,  е с учетом магнитных сил,  ж с учетом магнитных сил, 

В зависимости от режима структура вихрей, хотя и незначительно, но изменяется. Для результатов рис. 4, а, б, ж в северном полушарии жидкость движется против часовой стрелки (значения напряженности вихря положительные), а в южном – по часовой стрелке (значения отрицательные). Максимальная интенсивность вихрей 5,97·10; 5,97·10; 7,50·10 соответственно для результатов рис. 4, а, б, ж. Для результатов, представленных на рис. 4, в-е, направление движения жидкости изменяется на противоположное. Максимальная интенсивность вихрей соответственно 5,94·10; 4,27·10; 7,61·10; 4,63·10.
На рисунке 5 приведены результаты расчетов поля радиальной и меридиональной составляющей магнитной индукции. Радиальная составляющая магнитной индукции (рис. 5, а-е) в северном полушарии принимает отрицательные значения, за исключением небольшой области у внутренней границы слоя, а в южном – положительные, за исключением небольшой области у внутренней поверхности слоя.

а                                 б                                 в                                 г                                 д                                 е                                 ж
Рисунок 5 – Поле магнитной индукции. Радиальная составляющая: а с учетом магнитных сил,  б с учетом магнитных сил,  в с учетом магнитных сил,  г с учетом магнитных сил,  д с учетом магнитных сил,  е с учетом магнитных сил, ; ж меридиональная составляющая 

Для результатов рис. 5, а и 5, е в экваториальной части слоя образуются две локальные зоны, в которых значения радиальной составляющей магнитной индукции изменяют свой знак (с минуса на плюс и с плюса на минус). Меридиональная составляющая магнитной индукции (рис. 5, ж) принимает положительные значения практически во всем слое, за исключением небольшой области у внутренней границы, в которой значения меридиональной составляющей магнитной индукции отрицательные. Оказалось, что качественно и количественно структура поля меридиональной составляющей магнитной индукции практически не изменяется для рассмотренных режимов. Максимальная интенсивность радиальной составляющей  4,00·10-4; 5,80·10-4; 5,61·10-4; 5,94·10-4; 5,62·10-4; 3,76·10-4 соответственно для результатов рис. 5, а-е, а меридиональной 1,00·10-2.
Представленные выше результаты получены для значения числа Грасгофа  Ниже приведены результаты, позволяющие проследить влияние увеличения интенсивности конвекции на тепловые и гидродинамические процессы в слое. 
На рисунках 610 приведены результаты для  Значения остальных безразмерных критериев подобия не изменялись. 
На рисунке 6 приведены результаты расчетов поля температуры. 

а                                 б                                 в                                 г                                 д                                 е                                 ж
Рисунок 6 – Поле температуры: а без учета магнитных сил,  б с учетом магнитных сил,  в с учетом магнитных сил,  г с учетом магнитных сил,  д с учетом магнитных сил,  е с учетом магнитных сил,  ж с учетом магнитных сил, 

Перенос энергии в слое для всех режимов осуществляется конвекцией. Структура поля температуры изменяется в зависимости от режима. Диапазон изменения температуры для результата рис. 6, а (7,566; 1). Такая же качественная и количественная ситуация сохраняется и для электропроводной жидкости (рис. 6, б). Учет джоулевой диссипации (рис. 6, в) изменяет поле температуры. Диапазон изменения температуры (8,399; 1). Учет внутренних источников и стоков тепла, совместно с учетом джоулевой диссипации (рис. 6, г, д), приводит к дальнейшему изменению поля температуры. Диапазон изменения температуры для результата рис. 6, г (5,196; 1,472), а для результата рис. 6, д (11,373; 1). Неучет джоулевой диссипации, несмотря на наличие внутренних источников (стоков) тепла (рис. 6, е, ж), изменяет поле температуры. Диапазон изменения температуры для результата рис. 6, е (4,696; 1), а для результата рис. 6, ж диапазон изменения температуры (12,571; 1).
На рисунке 7 приведены распределения чисел Нуссельта. Распределения локальных чисел Нуссельта на внутренней границе слоя имеют или максимум (рис. 2, а, б, е), или минимум (рис. 2, в-д, ж) при значении полярного угла 

   
а                                                            б                                                             в                                                           г
  
д                                                          е                                                           ж

Рисунок 7 – Распределение локальных чисел Нуссельта: а без учета магнитных сил,  б с учетом магнитных сил,  в с учетом магнитных сил,  г с учетом магнитных сил,  д с учетом магнитных сил,  е с учетом магнитных сил,  ж с учетом магнитных сил, 

Учет джоулевой диссипации, совместно с учетом источников и стоков тепла (рис. 7, в-д), изменяет распределение локальных чисел Нуссельта по сравнению с результатами рис. 7, а, б. Неучет джоулевой диссипации (рис. 7, е, ж) приводит к изменению распределения локальных чисел Нуссельта. Значение осредненного и диапазон изменения локальных чисел Нуссельта следующие:
37,599; 4,48553,542; 37,599; 4,48553,542;
28,950; 7,62263,279; 7,750; 0,89730,684; 
50,174; 16,49594,693; 16,197; 0,38225,214; 
59,004; 20,688106,304 соответственно для результатов рис. 7, а-ж.
На рисунке 8 приведены результаты расчетов поля функции тока. Для всех случаев в слое образуются две конвективные ячейки.

а                                 б                                 в                                 г                                 д                                 е                                 ж
Рисунок 8 – Поле функции тока: а без учета магнитных сил,  б с учетом магнитных сил,  в с учетом магнитных сил,  г с учетом магнитных сил,  д с учетом магнитных сил,  е с учетом магнитных сил,  ж с учетом магнитных сил, 

Для результатов, представленных на рис. 8, а, б, е, жидкость в северном полушарии слоя движется против часовой стрелки (значения функции тока положительные), а в южном – по часовой стрелке (значения отрицательные). Максимальное значение функции тока соответственно 2,08·10; 2,08·10; 1,63·10. Учет джоулевой диссипации (рис. 8, в), так же как и учет внутренних источников и стоков тепла, совместно с учетом джоулевой диссипации (рис. 8, г, д), изменяет направление циркуляции жидкости в ячейках на противоположное. Максимальное значение функции тока для результатов рис. 8, в-д 1,89·10; 1,40·10; 2,26·10. Неучет джоулевой диссипации, при учете внутренних источников тепла (рис. 8, е), изменяет направление циркуляции жидкости, а учет внутренних стоков тепла (рис. 8, ж) сохраняет направление циркуляции жидкости, по сравнению с результатами рис. 8, в-д. Максимальное значение функции тока для результата рис. 8, ж 2,39·10.
На рисунке 9 приведены результаты расчетов поля напряженности вихря. 

а                                 б                                 в                                 г                                 д                                 е                                 ж
Рисунок 9 – Поле напряженности вихря: а без учета магнитных сил,  б с учетом магнитных сил,  в с учетом магнитных сил,  г с учетом магнитных сил,  д с учетом магнитных сил,  е с учетом магнитных сил,  ж с учетом магнитных сил, 

В слое (рис. 9, а, б, е) образуются два крупномасштабных вихря, в которых жидкость движется против часовой стрелки (значения положительные) в северном полушарии, и по часовой стрелке (отрицательные значения) – в южном. Максимальная интенсивность этих вихрей 2,43·102; 2,43·102; 1,64·102 соответственно для результатов рис. 9, а, б, е. Для результатов, представленных на рис. 9, в-д, ж, образуются два среднемасштабных вихря. В северном полушарии жидкость движется по часовой стрелке (значения отрицательные) а в южном – против часовой стрелки (значения положительные). Максимальная интенсивность вихрей составляет величину 2,32·102; 1,68·102; 2,96·1023,23·10соответственно. Неучет джоулевой диссипации при наличии внутренних источников тепла приводит к изменению направления циркуляции жидкости (рис. 9, е). 
На рисунке 10 приведены результаты расчетов поля радиальной составляющей магнитной индукции.

а                                 б                                 в                                 г                                 д                                 е
Рисунок 10 – Поле радиальной составляющей магнитной индукции: а с учетом магнитных сил,  б с учетом магнитных сил,  в с учетом магнитных сил,  г с учетом магнитных сил,  д с учетом магнитных сил,  е с учетом магнитных сил, 

Значения радиальной составляющей магнитной индукции (рис. 10) в северном полушарии отрицательные, за исключением небольшой области у внутренней границы слоя, а в южном – положительные, за исключением небольшой области у внутренней границы. Для результатов рис. 10, а, д в экваториальной части слоя образуются две локальные зоны, в которых значения радиальной составляющей магнитной индукции изменяют свой знак (с минуса на плюс и с плюса на минус). Максимальная интенсивность радиальной составляющей  1,13·10-3; 9,15·10-4; 8,58·10-4; 1,06·10-3; 8,35·10-4; 1,12·10-3 соответственно для результатов рис. 10, а-е.
На рисунке 11 приведены результаты расчетов поля меридиональной составляющей магнитной индукции. Значения меридиональной составляющей (рис. 11) положительные практически во всем слое, за исключением небольшой области у внутренней границы слоя, в котором ее значения отрицательные. В зависимости от режима поле меридиональной составляющей магнитной индукции претерпевает, хотя и незначительные, изменения. Эти изменения происходят в экваториальной плоскости, проявляясь в увеличении зоны отрицательных значений меридиональной составляющей, похожей на треугольник, вершина которого стремится к внешней границе слоя. Максимальная интенсивность меридиональной составляющей не превышает значения 1,00·10-2.

а                                 б                                 в                                 г                                 д                                 е
Рисунок 11 – Поле меридиональной составляющей магнитной индукции: а с учетом магнитных сил,  б с учетом магнитных сил,  в с учетом магнитных сил,  г с учетом магнитных сил,  д с учетом магнитных сил,  е с учетом магнитных сил, 

Анализ результатов, полученных по предложенной математической модели, позволяет сделать следующие выводы:
для всех режимов в слое образуются две конвективные ячейки и два вихря; 
учет электропроводности жидкости (без учета других факторов) не влияет на теплообмен и гидродинамику жидкости в слое;
учет джоулевой диссипации изменяет направление циркуляции жидкости в ячейках; 
в структуре радиальной составляющей магнитной индукции при: и  образуются две дополнительные зоны;
интенсификация конвекции в слое влияет на структуру меридиональной составляющей магнитной индукции;
математическая модель и полученные результаты могут быть полезными при исследовании тепловых и гидродинамических процессов в недрах Земли и других планет.


Библиографический список
  1. Жарков В. Н. Внутреннее строение Земли и планет, М., Наука. 1983.
  2. Жарков В. Н., Трубицын В. П., Самсоненко Л. В. Физика Земли и планет. Фигуры и внутреннее строение, М., Наука, 1971.
  3. Яновский Б. М. Земной магнетизм, Л., Изд-во Ленигр. ун-та, 1978.
  4. Соловьев С. В. Моделирование конвективного теплообмена в жидком ядре Земли. Вестник Тихоокеанского государственного университета. 2012. № 2 (25). С.73-82.
  5. Госмен А. Д.,  Пан В. М., Ранчел А. К., Сполдинг Д. Б., Вольфштейн М. Численные методы исследования течений вязкой жидкости, М., Мир, 1972.


Все статьи автора «Соловьев Сергей Викторович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: