封闭湍流系统中粗糙壁面对湍流结构生成演化及输运的影响研究

Turbulent flows over rough surfaces are ubiquitous in nature and in many engineering applications. The study of turbulence over a rough surface is of fundamental interest for understanding the structures and dynamics of turbulent boundary layers and is also relevant to many practical applications, ranging from effective heat transfer for a reentry vehicle to turbulent drag reduction of a commercial aircraft. In this proposal, we adopt turbulent Rayleigh-Bénard convection and Taylor-Couette turbulence as the two typical closed turbulence systems. Experimental measurements, combined with the necessary numerical simulations, are taken as the main research methods to reveal the following key scientific problems: (1) how rough surfaces influence the turbulence transport and can roughness be as a route to the ultimate regime of thermal convection? (2) how rough surfaces influence the formation and evolution of turbulence structures? (3) Can we control the flow structures using asymmetry rough surfaces?

粗糙壁面湍流广泛存在于自然界和工程技术等诸多领域内，对其深入研究具有重要的理论价值和现实意义，既可以帮助揭示湍流边界层中的结构生成和动力学过程，又与很多的实际应用息息相关。本申请项目拟以Rayleigh-Bénard湍流热对流和Taylor-Couette湍流这两个典型的封闭湍流系统为研究对象，以实验研究为主要手段，辅以必要的数值模拟，重点研究并解决以下三个关键科学问题：1、粗糙壁面对输运效率的影响，是否有利于“终极区间”的到达；2、粗糙壁面是如何影响湍流结构的生成和演化的；3、能否通过对粗糙元几何形状及其对称性的改变来实现对流动结构的控制。

经粗糙壁和复杂面的湍流流动广泛存在于自然界和工程技术等诸多领域内，对复杂壁面湍流的研究既可以帮助揭示湍流边界层中的湍流结构生成和动力学过程，具有重要的理论价值和现实意义。在本项目的资助下，我们研究粗糙壁面对湍流结构生成、演化及其输运效率的影响等若干关键问题，获得的主要研究进展和重要结果可以简单地归纳如下: 1. 针对粗糙壁面条件下湍流对流，系统地探究了非对称棘齿表面粗糙结构、周期性展向粗糙结构、振动激励粗糙元结构、体相粗糙结构等粗糙结构对湍流系统的输运和流动特性的影响，揭示了湍流输运随粗糙元特征参数的变化规律，发展了流动传热主动控制技术。 2. 针对复杂壁面如何影响湍流结构生成与演化，研究了移动固液相变壁面结构对湍流输运与流动结构演化的影响规律，提出了相变壁面形貌特征的预测模型；并研究了悬浮固体颗粒、液滴和非均匀加热壁面对湍流系统整体输运特性的影响。3. 针对湍流相干结构调控湍流输运，设计和提出了超重力条件驱动的湍流热对流系统，提供了一种达到热湍流终极区间的手段，开辟了热湍流研究的新方向；提出了两相“类催化性颗粒”湍流的新概念，极大地增强系统热输运效率，为高效换热器设计提供了新思路。.本项目研究期间发表高水平SCI论文共计54篇，培养4名博士后、15名博士研究生以及5名硕士研究生，其中6名博士研究生已经毕业，2名博士后出站。