并联Rayleigh-Bénard对流系统传热增强的实验研究

Enhancing heat transport across a fluid layer is of fundamental interest as well as of great technological importance. For decades, Rayleigh-Bénard convection, i.e. the motion of a fluid layer that is heated from below and cooled from above, has been a paradigm for the study of convective heat transport, and how to improve its overall heat-transfer efficiency is still an open question. In our previous studies, our experiments have shown that by inserting several vertical partition walls into the convection cell, the heat-flux can be increased significantly. In this project, we will use the Rayleigh-Bénard convection as the test case to systematically study the dependence of heat-transfer enhancement on the number and the thickness of partition walls, the height of the gaps between partition walls and the upper and lower plates. By using some experimental techniques, such as particle image velocimetry (PIV), thermistors, shadowgraph, and thermochromic liquid crystal (TLC), we will reveal the influence of partition walls on the flow structures and velocity and thermal boundary layers, and then reveal the physical mechanics of the heat-transfer enhancement in partitioned Rayleigh-Bénard convection.

热对流是一种非常有效的利用流体流动来输运热量的手段，Rayleigh-Bénard对流系统是研究热对流现象的经典流体力学模型。如何有效地提高热对流的传热效率对一些工程中的传热散热问题具有重要的科学意义。我们在前期的预研工作中研究了并联热对流系统，即往对流槽内置入竖直隔板从而形成若干个并联的子对流槽共同传热的系统，我们发现并联热对流系统可以有效地提高对流传热效率。在本申请项目中，我们拟以并联Rayleigh-Bénard热对流系统为主要研究对象，在不同的工况条件下（包括隔板数目、隔板厚度、隔板与对流槽上下导板间的狭缝高度等）系统地测量并联热对流系统的无量纲对流传热效率Nusselt数；利用PIV、半导体测温法、阴影法、热敏液晶法等实验技术观测和测量内置隔板对速度场、温度场及对流槽导板附近速度和温度边界层的影响，以揭示并联热对流系统传热效率增强背后的物理机理。

浮力驱动湍流广泛存在于自然界中，对其基本特性的研究具有极其重要的学术意义。我们在本项目的资助下，针对浮力驱动湍流中的四个关键问题开展了系统研究，所获得的主要研究进展、重要结果等可以简单的归纳如下：1、在湍流热输运方面，提出了并联热对流的概念，并以此发展了了一种新的简单可行但又高效的增强自然对流传热效率的方法；揭示了几何约束对系统宏观输运量（包括热输运和动量输运）的影响。2、在湍动能的级串过程方面，定量给出了在浮力驱动下湍动能级串的物理图像。3、在动能和温度耗散率的统计特性方面，定量测量了热对流系统中动能和温度耗散率的统计特性，揭示了浮力驱动下湍流结构演化的自相似特性。4、在粗糙壁面对湍流热输运的影响方面，获得了颠覆传统认识的新结论：固壁粗糙元虽然增加了流固接触面积，并有利于湍流结构的生成，但是在某些参数范围内，却反而会抑制湍流的热输运效率。. 基于这些成果，我们在国际顶级流体力学类学术期刊J. Fluid Mech.上发表论文5篇，在国际知名流体力学类学术期刊Phys. Fluids上发表论文1篇，总共发表学术论文10篇，其中8篇SCI论文。供培养博士生4名，硕士生6名。