恒温热源上方气流的形态和烟颗粒疏密条纹成因的研究.PDF

参赛队员姓名： 魏洵婧 中学： 上海中学 省份： 上海市 国家地区：/ 中国 指导教师姓名： 李晟 论文题目：恒温热源上方气流的形态和烟颗 粒疏密条纹成因的研究 1 恒温热源上方气流的形态和烟颗粒疏密条 纹成因的研究 摘要： 将石蜡置于恒温热源上，石蜡将气化，跟随热源上方的气流上升，上升到一 定高度时，石蜡气体将冷凝为固态的颗粒，形成烟。实验发现在不同的热源温度 下，气流宽度随高度的变化存在四种不同形式：宽度随高度增加而增大、随高度 增加而先增后减、随高度增加几乎不变以及随高度增加而减小；热源上方一定高 度处，气流会形成湍流和水平环流。为定量解释所观察到的气流的形态，本文推 导出恒温热源上方气流运动的偏微分方程。对方程求数值解，发现通过设定不同 的热源温度，气流产生了实验观察到的四种不同的宽度变化，所对应的温度范围、 气流形状与实验基本相符；在一定高度处，气流能够产生持续一段时间的水平环 流以及湍流。本文推导出的方程定量地解释了恒温热源上方气流的形态，也为模 拟热源上方气流的运动提供了一种较精确的方法。 在观察恒温热源上方气流的形态的同时，实验中还观察到烟颗粒在上升气流 -3 中常常形成稳定的疏密条纹结构，并测得条纹间距为10 米数量级。为解释上述 疏密条纹的形成，本文以大量颗粒形成的颗粒群为单位进行研究，利用数理统计 方法，将单个颗粒间的流体动力相互作用等效为颗粒群间的附加压强，推导出颗 粒群间的等效附加压强方程。通过计算机数值模拟出颗粒群在此等效附加压强下 的运动，模拟结果显示，经过一定时间后，颗粒形成了疏密条纹，且间距数量级 与所观测到的烟颗粒条纹相符。本文将单个颗粒间的流体动力相互作用等效为大 量颗粒间的附加压强，为研究数密度较大的颗粒在流体中的运动提供了一种较准 确而简洁的模型。 本课题选题的初衷是为了探究恒温热源上方气流的形态、烟颗粒条纹的产生 原因，其亮点在于不仅致力于描述一些现象，而且希望能够探求其背后的本质： 1.在恒温热源上方气流形态的研究中，本研究推导出了气流运动的偏微分方 程，并在MATLAB软件上编写程序定量求解出气流的形态。 2.在烟颗粒疏密条纹成因的研究中，本研究通过大量实验观测与理论分析， 得到了颗粒间主要存在的等效流体动力相互作用，建立了一个精巧的颗粒-气流 运动模型，并使用数理统计方法推导出颗粒间的等效流体动力相互作用方程。本 文推导出了颗粒群运动的偏微分方程，并在MATLAB软件上编写程序模拟出颗粒 群在上述等效流体动力相互作用下的运动。 3.本研究为模拟热源上方气流的运动提供了一种较精确的方法，也为研究数 密度较大的颗粒在流体中的运动提供了一种较准确而简洁的模型。 2 第三页为论文英文摘要 （如果是中文论文，此页为英文摘要。否则，留空白。） Title: The study of the morphology of airflow and the cause of fringes formed by smoke particles over a heat source of constant temperature Abstract Paraffin placed on a heat source of constant temperature will vaporize and rise with the airflow above.When rising to a certain height,theparaffin gaswill condense into solid particles and form smoke. Experiments show that the width of airfl