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科学研究

清华大学能动系和燃烧能源中心蒋河川和王东璞等人利用超重力系统观测到极端参数条件下湍流输运新规律

2022-11-14

清华大学能动系和燃烧能源中心蒋河川和王东璞等人利用超重力系统观测到极端参数条件下湍流输运新规律

近日,物理快报评论》(Physical Review Letters以“快速旋转湍流对流中存在终极区间的实验证据”Experimental evidence for the existence of the ultimate regime in rapidly rotating turbulent convection为题,在线报道了清华大学能源与动力工程系和燃烧能源中心蒋河川、王东璞等利用开发的超重力湍流实验系统在热湍流输运研究中取得的重要进展。该工作测量到在极端参数条件下湍流输运的新规律,推动了极端参数下的湍流理论和应用的发展,对工程应用领域也具有指导意义和潜在利用价值。

热驱动湍流广泛地存在于自然界和工业生产中,其在洋流、大气流、星球内对流、发电站冷却等过程中扮演着至关重要的角色。这些流动都具有超大的尺度和超高的湍流强度,当驱动强度趋于无穷大时,湍流传热效率与热驱动强度的依赖关系及物理机理是热对流研究的核心问题。许多著名流体力学理论研究者如克莱契南(1962),施皮格尔(1971),格罗斯曼和劳斯(2000) 都通过理论研究预测,在极高的热驱动强度下,流动进入传热终极区间。

通过精密可控的实验和数值模拟实现终极区间极其重要,因为一旦证实终极区间的存在,其规律有可能被外推到任意高的热驱动强度,进而实现对许多自然界和工业过程中极高湍流强度下湍流传热的合理预测。探索传热终极区间是湍流研究领域最重要的科学问题之一。大量的实验和数值模拟都试图研究具有极高热驱动强度的湍流,但由于极高瑞利数的实验和模拟的难度都极大,并且不同研究结果都存在各自的局限性。

   

1:(a)超重力实验平台全局图,(b)外环加热,内环冷却,高速旋转的超重力系统实验模型,(c)高速旋转下的超重力对流腔体照片,(d)直接数值模拟的典型瞬时温度场,(e)边界层速度型

为了研究这一难题,考虑到热驱动强度参数瑞利数与重力加速度成正比,孙超团队提出并开发了一个崭新的超重力驱动的湍流热对流系统(如图1a-c),利用高速旋转产生的离心力作为驱动力,巧妙地实现了热驱动强度的大幅增加,并实现了对极端重力下的热湍流的高时空分辨率的直接数值模拟(如图1d)。利用超重力系统的优势,研究团队在超过6个数量级宽范围的瑞利数下,同时检测到了经典传热区间、过渡区间和终极传热区间,依靠最高达100倍等效地球重力,研究团队发现当瑞利数高于一个临界值时,在超过一个量级区间的瑞利数范围内,观察到了与终极区间的标度律相符的结果。同时,研究团队发现强旋转条件下的科氏力会显著影响湍流运动,湍流流动呈现准二维特征(如图1d),并且通过对超重力系统边界层的理论受力分析,发现科氏力促进了流体边界层在较低瑞利数下即发生“层流-湍流转捩”,从而导致传热规律由经典区间标度律过渡到终极态标度律,并且速度边界层在瑞利数逐步增大至临界瑞利数时,如图1(e)所示,由普朗特-布拉修斯型层流边界层逐渐转变为普朗特-冯卡门对数型湍流边界层。同时,该研究结果发现当瑞利数达到临界瑞利数时,剪切雷诺数达到了朗道-利夫希茨预测的边界层转捩的临界值。此外,实验测得体区温度脉动也在瑞利数达到临界值时,开始发生标度律的转变。热输运标度律和这些动力学特性之间相互印证,为超重力热湍流体系中湍流输运终极区间存在性提供了比较直接的证据

审稿人评价“该研究具有原创性、新颖性和趣味性,是该领域的重大进步”。该研究方法从一个全新的角度,通过极端超重力提高瑞利数,研究了极高瑞利数下的湍流传热和流动,给出极端参数条件下的湍流输运服从“终极传热区间”的直接证据,并且对理解和预测工业生产、海洋学、大气科学、地球物理学中的极端状态下的热湍流输运提供了可能的理论支撑。此外,该研究还揭示了热驱动湍流与科氏力的复杂耦合动力过程,对理解许多地球物理、天体物理、旋转机械中的湍流流动具有启发意义

蒋河川博士和博士生王东璞为该论文共同第一作者,孙超教授为通讯作者,论文合作者还包括清华大学丘成桐数学科学中心刘爽助理教授。本研究工作得到了国家自然科学基金基础科学中心项目以及科学探索奖的支持。

文章链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.204502



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