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探索界面張力梯度驅(qū)動(dòng)對(duì)流轉(zhuǎn)捩規(guī)律
來源：力學(xué)進(jìn)展 瀏覽 432 次 發(fā)布時(shí)間:2024-07-05
界面張力梯度驅(qū)動(dòng)對(duì)流是空間自然對(duì)流熱質(zhì)輸運(yùn)的基本形式，對(duì)其時(shí)空轉(zhuǎn)捩過程、轉(zhuǎn)捩機(jī)制、非線性特征及流動(dòng)向湍流轉(zhuǎn)捩途徑等基本規(guī)律的研究，一方面可以豐富非線性動(dòng)力學(xué)的相關(guān)理論，另一方面對(duì)于人類認(rèn)識(shí)、探索和利用空間環(huán)境也具有重要的應(yīng)用價(jià)值，是微重力流體物理的重要研究?jī)?nèi)容和學(xué)科前沿。本文對(duì)目前的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，重點(diǎn)介紹了研究液層界面張力梯度驅(qū)動(dòng)對(duì)流的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬方法，雖然已有的研究已經(jīng)得到在不同模型和工況下的各種轉(zhuǎn)捩模式，但是在轉(zhuǎn)捩規(guī)律上仍需要更深入的探索，可以從以下幾個(gè)方面著手：
（1）理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果的正確性需要由實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，空間實(shí)驗(yàn)可以滿足微重力環(huán)境、長時(shí)間觀測(cè)的要求，但是空間實(shí)驗(yàn)有一定難度且機(jī)會(huì)來之不易，故而可以考慮進(jìn)一步發(fā)展實(shí)驗(yàn)手段，以實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬中采用的更豐富的工況；以及加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的控制，以降低無關(guān)因素的干擾，提高實(shí)驗(yàn)精度。
（2）目前關(guān)于液層界面張力梯度驅(qū)動(dòng)對(duì)流向湍流的超臨界轉(zhuǎn)捩在數(shù)值方法上主要有流動(dòng)時(shí)序數(shù)據(jù)的分析和分岔問題的數(shù)值算法。流動(dòng)宏觀量的時(shí)序數(shù)據(jù)來自實(shí)驗(yàn)結(jié)果或者直接數(shù)值模擬，對(duì)于后者，需要對(duì)于不同參數(shù)分別進(jìn)行數(shù)值模擬，再通過時(shí)間序列頻譜及其混沌特性的定量計(jì)算分析流動(dòng)轉(zhuǎn)捩規(guī)律，即在大量的離散的數(shù)據(jù)序列中尋找分岔點(diǎn)，故此過程比較繁瑣。而通過構(gòu)造分岔方程對(duì)分岔進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的方法雖然可以一步到位，但是在選取分岔方程，解高維線性、非線性方程等過程中均需要根據(jù)具體的流動(dòng)模型進(jìn)行調(diào)整，具有一定難度，且對(duì)于更加復(fù)雜的流動(dòng)模式需要更大的計(jì)算量，用此算法也無法直接計(jì)算得到混沌解。上述兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，目前在轉(zhuǎn)捩過程的數(shù)值研究中較為常用的仍是在不同參數(shù)下進(jìn)行直接數(shù)值模擬，而后對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，識(shí)別分岔點(diǎn)；在直接對(duì)分岔進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的研究中，也常常需要通過直接數(shù)值模擬來驗(yàn)證分岔得到的解的可靠性與準(zhǔn)確性，在今后的研究中可考慮進(jìn)一步將兩種方法結(jié)合運(yùn)用，互相補(bǔ)充、驗(yàn)證。
（3）液層界面張力梯度驅(qū)動(dòng)對(duì)流向湍流轉(zhuǎn)捩的過程中會(huì)產(chǎn)生豐富的流動(dòng)模式，轉(zhuǎn)捩過程除了與上文提到的液層模型、無量綱參數(shù)（Prandtl數(shù)、高徑比、體積比等）有關(guān)，還受到熱邊界條件（如體系是否絕熱）、加熱方式及加熱速率等因素的影響；此外，在具體的應(yīng)用場(chǎng)景中通常有多種流動(dòng)相互作用，考慮界面張力梯度驅(qū)動(dòng)對(duì)流與其他諸如浮力、電磁場(chǎng)、旋轉(zhuǎn)等效應(yīng)的耦合，對(duì)于重新檢視已發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)捩途徑以及尋找新的轉(zhuǎn)捩途徑均有一定的積極意義。
（4）目前對(duì)于液層界面張力梯度驅(qū)動(dòng)對(duì)流向湍流轉(zhuǎn)捩的研究仍不夠完善，在對(duì)超臨界轉(zhuǎn)捩階段的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究中觀察到了許多復(fù)雜的轉(zhuǎn)捩模式，但大多只是現(xiàn)象上的描述，并未總結(jié)出普遍的規(guī)律；對(duì)于流動(dòng)最終能否通向混沌暫無普適的判據(jù)，流動(dòng)通向混沌過程中出現(xiàn)的諸如陣發(fā)、鎖頻等特殊的現(xiàn)象也尚未有更本質(zhì)的機(jī)理上的解釋?？傊瑢?duì)于轉(zhuǎn)捩規(guī)律的深入理解，需要界面張力梯度驅(qū)動(dòng)對(duì)流這一非線性模型在理論上的進(jìn)一步發(fā)展，未來道阻且長。