旋转对流中大尺度涡结构的形成、演化与控制

Rotating convection is ubiquitous in nature and relevant to various industrial applications. One of the dominant flow features in rotating convection is the large-scale, highly-coherent vortical structure, convective Taylor columns (CTC). Previous studies of the flow structure and dynamics of the CTCs were carried out through either theoretical modeling or numerical simulations, lacking in experimental investigations. In the proposed project we aim to investigate the fine flow structure, the formation and evolution of the CTC, through development of a high-resolution flow visualization experimental system. In probing correlations of the fluid velocity and temperature within the CTCs, we will explore the mechanism how global heat transport in rotating convection can be manipulated by local coherent vortical structures. Finally, efforts will be made to control the formation and motion of the CTC through controlling the detailed mechanical and thermal boundary conditions. The research findings in this work may offer new insights for our understanding of the fluid dynamical phenomenon in thermal convection and rotating turbulence.

旋转对流存在于各种工程应用和自然现象中。旋转湍流对流中主要的流场结构表现为竖直方向上速度和温度高度相干的大尺度旋涡结构——对流泰勒涡柱。目前在旋转对流领域对泰勒涡柱的结构与演化的研究局限于理论模型和数值计算，而缺乏系统的实验研究。本项目拟通过拓展高空间分辨率的实验测量方法对旋转对流体系的流场进行精细刻画，研究对流泰勒涡柱形成的条件与演化规律；研究泰勒涡柱中涡状羽流的流速与温度相干特性，探索旋转对流中局域的相干涡结构如何影响全局的传热效率；通过对边界层几何形貌与温度分布的调控，对湍流对流态下泰勒涡柱的形成与运动演化进行有效的约束与控制。实验课题具有较强的创新性，将推动对流传热、旋转湍流等领域的深入研究。

旋转热对流与众多的自然现象密切相关，在机械、传热等工程领域有着广泛应用。在充分的旋转强度条件下，湍流热对流的流场结构主要表现为贯穿上下边界层的对流泰勒柱涡。然而对流泰勒柱涡的精细流场结构，运动演化及其对体系大尺度下的热输运等是前人尚未涉足的科学难题。本项目自实施以来，项目团队经过近四年来的努力，发挥了创新实验设计与精密实验测量的特色，研究取得了高水平的创新成果。我们在高速旋转平台上创建了具备国际领先精度的Rayleigh-Bénard对流装置与高分辨流场成像系统。以此为实验基础，我们对强旋转对流传热效率以及精细流场结构的测量精度(或分辨率)达到或超过了已有的实验工作。我们以旋涡为研究载体，首次在液体中观察到朗之万预言的纯布朗运动；在旋涡密集的状态下，发现了旋涡的无标度特性的集体运动行为。通过对泰勒柱涡的精细结构的测量；揭示了强旋转对流渐近理论对旋涡结构与流场分布预言的适用性与局限性；确立了地转湍流态下热输运标度定律，研究了以多孔介质中的双扩散对流为模型的海冰层的结构特性与演化规律。 基于这些研究成果，我们在国际综合性期刊Nature Communications发表论文1篇，Science Advances发表论文1篇（项目负责人均为通讯作者）；流体力学权威期刊Journal of Fluid Mechanics上发表论文4篇，Physical Review Fluids 4篇。项目负责人应邀在有影响力的国内外学术会议上做邀请报告。本项目共培养研究生7名（已有3名分别获得博士学位，2名获得硕士学位）。