第 37卷 第 3期
2010年
北京化工大学学报(自然科学版)
JournalofBeijingUniversityofChemicalTechnology(NaturalScience)
Vol.37,No.3
2010
旋转的 RayleighBénard问题的 Lorenz模型及数值模拟
张 银 许兰喜
(北京化工大学 理学院,北京 100029)
摘 要:利用截 谱方 法,将旋 转的 RayleighBénard问题 转化 为四 维的 Lorenz模型,估 计出 此 Lorenz模型 的参 数 取
值范围为
τ∈
[0,
槡
2
],r
∈
(0,
∞
),b
∈
[0,8/3]。比较了四维 Lorenz方程与经典的三维的 Lorenz方程(无旋转)的不
同之处,在此基础上进行了数值模拟,结果表明旋转可以增加系统稳定性。
关键词:Lorenz方程;RayleighBénard问题;截谱方法;混沌
中图分类号:
O175
收稿日期:2009-11-30
第一作者:女,1986年生,硕士生
通讯联系人
Email:xulx@mail.buct.edu.cn
引 言
Lorenz于 1963年首次提出截谱方法,并作用 到
RayleighBénard对流模型上导出一个三维的 常微分
方程模型,即 Lorenz方程
[1]
X
·
(t)=P
r
(-X(t)+Y(t))
Y
·
(t)=-Y(t)+rX(t)-X(t)Z(t)
Z
·
(t)=X(t)Y(t)-bZ(t
{
)
在此方程中取参数 P
r
=10,r=28,b=8/3将看到混
沌吸引子,即 Lorenz吸引子。这种现象的发 现 带 动
了非线性研究的飞 速 发 展,也引发了关于混沌现象
的热门讨论。有文献尝试采用不同的截断将三维的
Lorenz模型推广到更高的维数,证 明 Lorenz吸 引 子
的存在并研究其性态
[2-3]
。还有文献通过数值模拟
研究了 不 同 参 数 下 的 Lorenz方 程 组,特 别 是 Ray
leigh数变化对系统的影响,却没有 文献对参 数的取
值,尤其是取 b=8/3给于解释
[4]
。有 的甚至取 b=
1
[5]
。
Bhattacharjee 等
[6]
讨 论 了 旋 转 的 Rayleigh
Bénard问题的一个四维 Lorenz模 型,但不足之处在
于在动量守恒方程 中 没 考 虑 非 线 性 项;参数的选取
没有做充分解释;没 有 讨 论 旋 转 对 系 统 的 影 响。针
对文献
[6]
的不足本文进行了 改 进,给 出 参 数 的 取 值
范围,对 b=8/3给出了解 释;数值 模拟显示 旋 转 有
利于系统稳定。
1 数学模型
11 偏微分方程模型
RayleighBénard对流是指一个充满不可 压缩流
体的平面夹层(图 1),下 表 面 加 热 而 上 表 面 冷 却 形
成温差,进而产生浮力,驱动夹层内流体运动。旋转
的 RayleighBénard系统 是 指 夹 层 以 角 速 度
Ω
绕 竖
直方向旋转。
图 1 RayleighBénard对流模型示意图
Fig.1 Schematicrepresentationofthe
RayleighBénardmodel
用下列偏微分方程描写 旋转的 RayleighBénard
问题无量纲化后的扰动方程
[7]
u
t
=
Δ
2
u+
槡
R
θ
k-
Δ
p+Tu×k-u·
Δ
u
Δ
·u=0
P
r
θ
t
=
Δ
2
θ
+
槡
Ru·k-P
r
u·
Δ
θ
(1)
边界条件为自由边界
z
u|
z=0,1
=
z
v|
z=0,1
=w|
z=0,1
=
θ
|
z=0,1
=0
u=(u,v,w)表示速 度 的 扰 动,
θ
表示温度的扰动,p
是压强,R是 Rayleigh数。T是 Taylor数,反映 了 旋
转的大小,k=(0,0,1),P
r
是 Prandtl数。 为了消去
压力项,用算子
δ
· =
Δ
×
Δ
×(·k)=(
xz
·,
yz
·,
(-
Δ
2
2
·)),
ε
·=
Δ
×(·k)=(
y
·,-
x
·,0)对方程