滑移边界条件下的瑞利-伯纳德热湍流的实验研究

Turbulence transport is controlled by the viscous boundary layer that is a result of non-slip boundary condition at the solid/liquid interface. When the non-slip boundary condition is changed to slip, the viscous boundary layer will be eliminated or weakened, in turn the turbulence transport prosperities will be totally different. One of the key issues in the study of turbulent thermal convection is to understand how the convective flow is affected by the slip/non-slip boundary condition. In this project, we will take the rectangular (quasi two-dimensional) Rayleigh-Bénard system as the model system for our experimental study. One thin layer of light fluid is placed on the top and another thin layer of heavy fluid is placed on the bottom of the working fluid, forming a stable three-layer flow system, in this way the top and bottom boundary conditions of the working flow are both slip. Under the so-formed slip boundary condition, the emergence, evolution of the coherent structures (plume and large-scale circulation); heat transport properties; and the velocity and temperature fluctuations and their statistical properties will be investigated. By comparing the results with those obtained under non-slip boundary condition, we will understand the effects of viscous boundary layer on the evolution of the coherent structures, turbulent transports and turbulence fluctuations in the turbulent Rayleigh-Bénard convection flow system; reveal the mechanism of the reversal of the large-scale circulation; and examine the prediction of the Grossmann-Lohse theory on the convective heat transport.

液固界面无滑移边界条件产生的粘性边界层控制着湍流系统的输运特性。将无滑移边界条件改变为滑移边界条件将会去除或减弱粘性边界层，从而从根本上改变湍流系统的输运特性。湍热对流研究的一个核心问题就是边界条件（滑移/无滑移）是如何影响热对流特性的。本项目以高瑞利数下的长方形（准二维）瑞利-伯纳德热对流系统为研究对象，通过在对流腔中工作流体上/下各放置一薄层与工作流体不相溶的较轻/重流体，形成上中下三层液体组成的稳定对流系统，实现中间层工作流体上下边界的滑移，研究滑移边界条件下湍热对流中拟序结构(羽流，大尺度环流)的生成和演化规律，热输运的机制和湍流脉动的统计特性。与无滑移边界条件下(存在粘性边界层)的情况对比，明确粘性边界层对拟序结构，湍流输运和脉动统计规律的调控机制。揭示大尺度环流反转的物理机制。检验Grossmann-Lohse理论模型关于热输运规律的正确性。

边界条件是控制流体动力学的关键因素。比如在壁湍流系统中，无滑移边界条件的存在和流体的粘性产生了粘性边界层，进而控制了流动的壁面摩擦力和热输运。因此可以通过改变壁面滑移条件来调控流动特性，比如人们利用表面微结构，空泡等方法实现水下运动物体表面滑移或部分滑移来减小壁面摩擦力。自然界也有很多流动系统的边界条件是滑移边界条件，比如大气对流的边界条件就是空气/海水界面的滑移边界条件；地幔对流和外地核对流的界面也是滑移边界条件。因此研究滑移边界条件下湍流系统的流动特性具有非常重要的意义。本项目着重于研究滑移边界条件下的瑞利-伯纳德热湍流，该研究对了解粘性边界层的对RB系统中拟序结构的生成、演化；热输运的标度律关系；湍流速度、温度脉动影响的物理机制有极为重要的意义。.. 我们通过本项目的资助完成了对具有单侧滑移边界条件的热湍流系统详细地研究，内容包括滑移边界的实现及验证、系统内部大尺度环流以及整体速度、温度剖面的测量，系统内大尺度环流反转频率的测量，系统传热特性的测量以及系统内温度、速度脉动的测量。具体发现有：.A．.通过添加FC770层，成功实现了滑移边界条件，并通过详细的速度测量测得了相应的滑移速度。.B．.由于单侧滑移边界条件的引入，系统中轴线位置的全局温度剖面、速度剖面呈现明显的不对称性。针对大尺度环流这一相干结构，在滑移边界条件下，其反转的频率大大降低。.C．.我们对热边界层和粘性边界层分别进行了观测分析。在证明了边界的确具有滑移速度后，还发现了这两者的平均厚度与瑞利数之间的分布关系和无滑移边界系统中的有极大的不同。.D．.针对边界层结构，我们还研究了其各项统计学特性，包括偏斜度、雷诺应力等，并分别与无滑移边界条件下的情形做了对照，分析了其具体变化情况。.E．.我们提取了不同位置处的羽流信号，发现滑移侧的羽流相对于对应的无滑移侧被抑制，幅度与密度减小，发展时间和间隔时间则增加，这种变化还会随Ra 数增加而减弱。