有限雷诺数条件下温度边界层闭环控制实验研究

Based on previous experimental investigations on the structure of thermal convection boundary layer and the method of open-loop control for turbulent boundary layer, we propose an experimental study of closed-loop-controlled boundary layer in turbulent thermal convection. This project aims to control convective heat transfer through a heated wall, and manipulate the surface temperature on the wall accordingly, which are very important to many engineering applications. Our main research will focus on four aspects: (1) From measurements of near-wall quantities, for instance the wall skin-friction, the wall pressure, the heat flux, near-wall velocities and temperature, we shall study their cross-correlations and find appropriate criterions of choosing feedback signals in the boundary-layer control system. (2) According to the above results, we shall develop a closed-loop control for thermal convection boundary layer, in order to increase the heat transport through the wall and test the control system in experiment. (3) Study the dependence of the closed-loop control efficiency on the Reynolds number, the Rayleigh number, and the large-scale circulation in turbulent thermal convection, for the purpose of optimizing the control system. (4) We shall investigate the boundary layer properties before and after the control, using various measurement techniques, such as hot-wire, hot-film, cold-wire, thermistor, PIV, and smoke-wire flow visualization, and etc.. Analyze the data thoroughly in order to reveal the mechanism behind the closed-loop control.

在热对流边界层结构研究和湍流边界层开环控制研究的工作经验和研究成果的基础上，本项目进一步开展湍流热对流边界层闭环控制研究，目的在于控制壁面对流传热效率，控制加热壁面温度，具有重要的工程应用背景。我们将重点研究以下方面：（１）通过实验测量，分析研究对流边界层附近脉动摩擦力、壁面脉动压力、热流量、近壁面流向脉动速度和温度的相互关联，为选取控制系统的反馈信号提供依据；（2）基于上述研究结果，设计一种对流边界层闭环控制系统，增加壁面热量流传输，并进行实验验证；（３）研究边界层的控制效率与雷诺数、瑞利数等系统参数以及和湍流对流流场大尺度环流之间的依赖关系，优化控制系统；（４）利用多种实验技术（热线、热膜、冷线、热敏电阻、PIV，以及烟线流动显示）测量控制前后的边界层状态，全面分析数据以揭示闭环边界层控制机理。

湍流热对流是一个典型的非平衡态动力学系统。通过系统内部流场和温度场的混合，显著地提高了湍流热对流的传热效率，因此被大量应用于广泛的工业生产和社会生活中。另一方面，湍流传热导致的温度场内部结构和涨落的变化也与我们的日常生活息息相关。目前为止对于传热学的研究和理解大多来自于平衡态的传热系统，而对于非平衡态系统中的传热机理的理解相对有限。我们系统地研究了湍流传热以及系统内部温度场的边界层结构和统计性质。我们的工作不仅对于解决传热优化和温度边界层控制等实际问题有重要价值，还同时具有相当重要的科学研究意义。.我们的研究工作从温度边界层的基础理论出发，围绕温度边界层控制这一目标开展了一系列前沿基础性研究与探索，针对不同条件下的流场提出了温度边界层的普适数学表达式，建立了温度边界层变化与湍流传热效率之间的数学联系，在以下三个方面取得了若干研究成果：（1）湍流温度场动力学异质性和几率密度分布函数的普适模型；（2）边界层附近的平均温度、平均速度和温度方差剖面的空间分布函数的一般数学表达式；（3）流场的几何边界条件对于湍流热对流传热效率及其温度场空间分布的影响。以上研究成果发表在10篇国内外重要的学术期刊上（6篇JFM，PNAS、PRL、PRF、TAML各1篇），为温度边界层控制提供了重要的理论依据和参数指导。.