复杂边界条件下湍流速度及温度边界层的实验与数值模拟对比研究

This research project aims to study the structures and dynamics of velocity and temperature boundary layers under complex boundary conditions. We propose to use natural thermal convection as the studied fluid field. We shall conduct direct measurements and run direct numerical simulation of both velocity and temperature boundary layers for different flow structures and different boundary conditions, including no-slip, slip and rough boundaries. With comparative study of both experimental data and numerical results, we shall derive a theoretical model and equations of motion for near-wall velocity and temperature fields. Our research will help understand the mechanisms of turbulent transition and turbulent structure creation, and their dependence on the complex boundary conditions. Our results are expected to be exploited for modeling, prediction and eventually control of the momentum and heat flux transfer in wall turbulence.

该项目重点研究在复杂边界条件下速度和温度边界层的空间结构和动力学性质。研究所用的流体模型是自然热对流。我们将在不同流场结构和不同边界条件下进行实验测量和直接数值模拟计算，包括：无滑移边界、有滑移边界和粗糙界面等。通过对比实验和计算的结果得到速度和温度场的理论模型和运动方程。该研究工作将有助于更加深入理解流动转捩和湍流结构生成的机理，以及其与复杂边界条件之间的依赖关系，为模拟、预测乃至最终达到控制壁面的能量传输和热流量传输提供理论指导。

该项目重点研究在复杂边界条件下速度和温度边界层的空间结构和动力学性质。研究所用的流体模型是自然热对流。我们在不同流场结构和不同边界条件下进行实验测量和直接数值模拟计算，包括:无滑移边界、有滑移边界和不同几何形状等。通过对比实验和计算的结果得到速度和温度场的理论模型和运动方程。该研究工作将有助于更加深入理解流动转捩和湍流结构生成的机理，以及其与复杂边界条件之间的依赖关系，为模拟、预测乃至最终达到控制壁面的能量传输和热流量传输提供理论指导。..在以下四个方面取得了若干研究成果：：（a）滑移固-液边界对湍流传热的影响；（b）不同滑移长度条件下边界层附近温度剖面方程；（c）在边界层附近的对数区间温度方差分布的数学方程；（d）低Pr数流体边界层附近平均速度场和温度场剖面的数学方程。以上研究成果发表在10篇国内外重要的学术期刊上包括J. Fluid Mech.（6篇）、PNAS（1篇）、PRL（1篇），Int. J. Heat Mass Transf.（1篇），等。在湍流基础研究领域取得了较好的科研成果。.