湍流热对流传热规律和温度边界层特性研究 及“终极态”

The researches of characteristics for the turbulent Rayleigh–Bénard convection at high and very high Ra number have very important significance for the research of the convective heat transport scientific problems in the nature and the designs for the industry. The direct numerical simulation (DNS) is one of the important means of turbulent convection. The Parallel Direct Method of DNS (PDM-DNS) was established by us and the DNS simulations for the turbulent convection with very high Ra number can be done on the “Tianhe 2” supercomputer. The present project proposed to conduct a great quantity of the DNS data for the turbulent convection.Based on the calculation results and data, the scaling law of the Nu number and Re number to the Ra number and its changes with the very high Ra number will be analyzed, and the “ultimate regime” will be discussed. The challenging researches of the physical characteristics and unknown problems for the 2D and 3D turbulent convection with different Ra number and Pr number will be done, such as the problems of the temperature boundary layer, the changes of the flow structure, the characteristics of plumes and their motion, and the effect on the heat transport law. The heat transfer multiple enhancement in the partitioned thermal convection will be discussed. The researches in present project will provide a large number quantitative information to illuminate the features of turbulent heat convection at high and very high Ra number.

高Ra数和极高Ra数Rayleigh-Bénard湍流热对流的物理和流动特性研究，对自然界和工业设计等领域的对流热输运科学问题研究具有极重要的意义。DNS模拟是研究湍流热对流的重要手段之一。本课题组创建的高效规模并行计算DNS直接求解方法PDM-DNS，可以在“天河二号”超级计算机上实现极高Ra数湍流热对流DNS模拟计算。在获得丰富的结果数据基础上，本课题将进行二维极高Ra数情况下Nu数和Re数对Ra数标度率及其变化的分析研究，讨论湍流热对流的“终极态”。开展系列Ra数和Pr数的温度边界层特性、流动结构变化、羽流形态及其运动特性以及对宏观传热规律的影响等二维和三维湍流热对流的物理特性及未知问题的具有挑战性研究工作。研究隔板对流装置传热倍增现象的物理规律。本课题的研究将为湍流热对流流动特性研究提供大量的定量信息，加深对高Ra数和极高Ra数湍流热对流传热规律和温度边界层物理规律的理解。

Rayleigh–Bénard对流（简称RB对流）是从众多热对流现象中抽象出来的物理模型，在极高Ra数时具有特殊性。在本项目的支持下，利用自主开发的计算软件PDM-DNS和MrPDM-DNS，在“天河二号”超级计算机上完成了系列Pr数和Ra数的二维及三维湍流RB热对流DNS模拟，Pr数从0.25到200，Ra数从10^7最高到10^14，共150多个，其中Pr=0.7、Ra=10^14的计算规模与世界上最高水平的二维热对流DNS计算持平。研究发现，大Pr数Pr≧10时热对流大尺度环流形态有三种，分别为方形、椭圆形和圆形，小Pr数只有椭圆形和圆形两种。大Pr数时大尺度环流形态由方形变到椭圆形是渐变，所有Pr数都有的椭圆形变到圆形是突变。改变了二维热对流在高Ra数时偏离GL理论的结论，在随Ra数的变化过程中，流态突变导致传热Nu数特性短暂偏离GL理论预测，随后回归GL理论预测，回归临界点可明确定义。由此，Pr=0.7二维热对流在Ra≦10^14的区间，Nu数随Ra数的变化与GL理论预测基本一致，尚未出现“终极态”跃迁现象。反映湍流特性的Re数随Ra数变化存在标度率关系，并在大尺度环流形态突变处出现间断，且所有Pr数对应间断的临界Re数为一常数，Re≈14000。湍流热对流的温度耗散率沿垂向分布在二维和三维方腔中主要差异仅出现在近底板区域。边界层内的温度耗散率十分相近总温度耗散率，温度梯度起主导作用。二维湍流热对流温度边界层剖面与湍流温度边界层理论剖面吻合良好，并讨论了拟合参数特性。研究增强传热的隔板对流装置，得到温度TD数、速度和传热Nu数随隔板几何参数和Ra数的变化规律。推导出特定范围内传热Nu数随隔板几何参数和Ra数变化的预测公式。发现减小隔板厚度增加隔板数可进一步提高整体传热效率。提出下底板局部脉冲加热和微柱状热源方法，确保隔板对流系统增强传热的稳定性。