转动瑞利-贝纳尔湍流对流的实验研究

Rotating Rayleigh-Benard contvection is a classical problem in fluid dynamics with broad implications in Earth science, oceanography and in the studies of global climate. The proposed research investigates the flow field transition near the turbulent bifurcation in rotating Rayleigh-Benard convection. Through direct flow visualization and velocity field measurements, we will demonstrate quantitatively the dynamical transition from a convection-dominated turbulent state to another rotation-dominated turbulent state. Research works are focused on measuring the wave-number of the vorticity field excited in the rotation-dominated state, and the dependence of the wave-number as functions of the Ro number and the aspect ratio of the convection cell. Through such an experimental approach we will (1) clarify the mechanisms of Ekman pumping underlying the role of heat-transport enhancement in turbulent rotating Rayleigh-Benard convection; (2) elucidate the coexistence and transitions of multiple states in fully developed turbulence; (3) and further investigate the statistical moments of the turbulent fluctuations that are driven by both Coriolis and buoyancy forces.

转动Rayleigh-Benard对流作为经典的流体力学模型在地球科学，物理海洋学以及全球气候研究等领域有着广泛的应用。本项目将通过对转动Rayleigh-Benard对流系统处于湍流分岔点时的流场结构的可视化研究，定量描述当转速增加时系统的速度场从类静止湍流对流态到转动湍流对流态的转变过程。 研究处于转动湍流对流态中涡量场分布波数对Ro数和对流槽纵横比的依赖关系，深入探讨导致转动对流系统传热效率增强的Ekman Pumping物理机制。为进一步研究多个充分发展的湍流态共存与相互转化过程，探索在浮力和科里奥利力共同驱动下各湍流对流态的脉动量统计性质提供实验依据。

在国家自然科学基金的支持下，我们对旋转瑞利-贝纳尔湍流对流体系的流场结构与传热特征进行了研究，顺利完成了原定研究目标与计划。在实验方面，我们在项目开展初期创建了高精度的旋转Rayleigh-Bénard对流装置。其中，对流系统的温度控制精度达到1毫度；对表征传热效率的Nu数的测量精度在1%的范围内与领域前沿已发表的理论计算与实验测量结果相符。这些实验参数表明我们创建的实验平台的性能与精确度具备国际领先性。以创建的旋转对流平台为基础，我们研究瑞利-贝纳尔对流在弱转动态下出现湍流分岔时主要的流场结构---大尺度环流的流动特征与动力学行为。实验发现，在周期性科里奥利力的作用下，大尺度环流平面的方位角\theta 以及环流强度\delta都发生与科氏力同频的振动；振动的相位随着驱动频率的增大逐渐滞后于系统转速，这是实验上对大尺度环流的惯性力效应的首次定量研究；通过拓展的理论模型，我们对\theta和\delta振动的幅度以及相位都给出了合理的解释，并准确预言了实验中观察到的\theta振动的幅度的共振行为。我们在极高Ro数的条件下(300<=Ro<=1)观察到了环流方位角\theta的线性进动。实验得到的\gamma-Ro曲线在极低速（Ro>100）和一般实验转速（Ro<=10）的两个区域分别与前人的实验结果相符，从而完整地得到了大尺度环流在科里奥利力作用下进动速度随转速的函数变化关系。在完成项目研究内容期间，我们在包括Journal of Fluid Mechanics 等期刊上发表学术论文3篇；项目负责人获得国家基金委面上项目和NSFC-RGC国际合作项目的资助。