湍流对流实验装置的研究与设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

对流现象在我们日常生活是一种非常常见的现象，在自然界中也很普遍，如引起天气、气候变化的大气环流、海洋环流，引起大陆板块漂移的地幔对流，决定地磁场产生和变化的外地核对流等。湍流及热对流研究不但可以深化人们对星际、海洋、大气、地球中对流现象的认识，而且对工程中的传热具有非常重要的理论及实际指导意义。

有学者认为，湍流问题被认为是最后一个尚未解决的经典物理问题之一，其中rayleigh –bénard（rb）系统被认为是研究湍流的几个最简单的模型之一^[1]。所谓rb系统就是在一个封闭的容器内，加热下底板、冷却上底板，保持上下底板的温度差恒定。当上下底板的温差超过临界值时，下（上）底板附近的流体元被下（上）底板加热膨胀（冷却收缩），流体元密度减小（增大），由于浮力的作用而上升（下降），从而形成了一种蘑菇状的流动结构，这种结构称之为热（冷）羽流（plume）.

2. 研究的基本内容与方案

本设计的内容是进行大宽高比对流传热装置的机械结构设计，具体为在掌握rb对流湍流系统工作原理的基础上，设计一个满足该系统工作需要的实验装置，其筒体内径是1000mm（当然，内经可以根据实验的具体情况来调整），筒体高度在500~2000mm能自由调动

该实验装置主要由四部分组成：① 上底板冷却及进水装置；② 中部筒体及支撑装置；③ 下底板及加热装置；④ 总体装置的支撑装置。上底板主要起着冷却的作用，固要求材料具有良好的导热性，金属中银、铜、铅、铝、铁依次渐弱。基于经济性和可加工性综合考虑，取铜最佳，导热系数（纯铜）为401w/mk。中部筒体的设计需参考压力容器的设计技术要求，要保证在最大高度时，整个筒体不会发生变形，以免影响实验的准确性。根据所选材料及其性能确定合适的壁厚。下底板主要是加热作用，加热时要求能均匀加热并且温度便于调控，拟采用电加热方式。支撑装置较为简单，要有足够的刚度与强度能支撑起整个装置（要在加满液体时）。

本设计在查阅相关技术文献资料的基础上，了解掌握rb对流湍流系统的原理，进行对流筒的机械结构的研究与设计。步骤如下：

（1）确定实验装置的工作原理，进行总体方案设计；

3. 研究计划与安排

第1-2周：查阅资料，翻译英文文献。

第3-4周：确定研究设计的方案，完成开题报告。

第5-7周：进行结构设计计算。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]周全，夏克青.rayleigh-b′enard 湍流热对流研究的进展、现状及展望[j]力学进展，2012,42卷3期25-30.

[2]晋军，夏克青.rayleigh-b′enard 湍流热对流研究的进展、现状及展望[j] 力学进展1999,29卷4期112-115.