瑞利-贝纳德对流 完整教学 Rayleigh–Bénard convection

瑞利-贝纳德对流 完整教学

Rayleigh–Bénard convection

根据CUPT（IYPT）2025 第十题，本人录制了一套专门针对“瑞利-贝纳德对流”的教学课程。

课程第一节的内容

分析了空气中的“瑞利-贝纳德对流”效应，并利用粒子追踪模块，模拟了空气中灰尘颗粒随“瑞利-贝纳德对流”的运动情况。

从图1的结果可以看出，空气发生了顺逆时针交替的对流；从图2可以看出，空气的流动导致温度呈现了有规律的特殊分布；从图3可以看出，粉尘在空气流动的带动下也作顺利时针交替的运动。

课程第二节的内容

分析了三维圆环中空气的“瑞利-贝纳德对流”效应，并利用辅助扫描分析了不同温差下的“瑞利-贝纳德对流”。

课程第三节的内容

利用COMSOL的分散相两相流模块对油中悬浮颗粒的“瑞利-贝纳德对流”进行分析，考虑了悬浮颗粒的分布对传热以及流体流动的影响。

图7 第三节课程内容：油中悬浮颗粒的“瑞利-贝纳德对流”效应、温度分布

图8 第三节课程内容：油中悬浮颗粒的“瑞利-贝纳德对流”效应、悬浮颗粒分布

图9 第三节课程内容：油中悬浮颗粒的“瑞利-贝纳德对流”效应、第10秒时刻的速度分布

从图9可以看出，在第10秒时刻计算域内发生了“瑞利-贝纳德对流”，但是随着时间的演变，图6中的速度分布逐渐趋于混沌；图8揭示了油中悬浮颗粒的运动分布情况，悬浮颗粒随着油中的自然对流发生相应的运动；由于悬浮颗粒的导热系数以及热容比油大，从图7可以看出，悬浮颗粒的运动对温度的分布有着重大的影响。