离散泡状Rayleigh-Bénard对流传热效率的研究

Thermal convection has attracted much interest both from a fundamental point of view and because of its ubiquity in industrial processes. Rayleigh-Bénard convection has been widely used as a model for the study of thermal convection. A central issue is to understand how to effectively enhance the heat transfer efficiency. We propose to investigate heat transfer enhancement in Rayleigh-Bénard convection by injecting well-controlled gas bubbles. We plan to systematically measure the global heat transfer efficiency in bubbly thermal convection in a wide range of the control parameters, such as Rayleigh number, bubble size, and gas volume fraction. In addition, the interaction between the dispersed air bubbles and the coherent structures of the convective flow (the large-scale circulation, the thermal plumes, and the boundary layers) will be investigated using the advanced measurement techniques including 3D-PTV, PIV, shadowgraph and others. Our aim is to uncover the physical mechanism of the enhancement of the convective heat transfer due to the bubble injection.

热对流作为一种在自然界和工业应用中都普遍存在的物理现象，是基础科学和应用科学的重要研究方向之一，也因此受到研究者们长期以来的广泛关注。如何提高对流传热效率始终是热对流相关研究工作的关键点和核心问题，而Rayleigh-Bénard对流体系则是热对流过程研究中常用的一个经典的流体力学模型系统。本项目拟采用在Rayleigh-Bénard对流系统中加入离散相空气泡的方式来提升系统的整体对流传热效率，并对其传热强化机理进行针对性的研究。项目计划在不同的实验工况下(Rayleigh数、离散相空气泡的尺寸、空气泡相对工作介质的体积比等)系统地测量对流传热效率变化，并利用三维粒子跟踪测速（3D-PTV）,粒子成像测速(PIV),阴影法成像等实验技术研究离散相空气泡与热对流系统的相干结构(大尺度流动、热羽流以及边界层)之间的相互作用,进而揭示离散相气泡提高自然对流传热效率的物理机制。

湍流对流在现实生活中广泛存在，并且在许多自然场景和工业环境中，湍流系统中往往包含离散相气泡。对于离散泡状湍流对流基本特征的研究具有极其重要的学术意义和工业应用价值。我们在本项目的资助下，针对离散泡状湍流对流的若干关键问题开展了系统研究，所获得的主要研究进展和重要结果可以简单地归纳如下：（1）针对离散泡状湍流热对流，发现离散相气泡能够大幅度提高热对流整体传热效率，并揭示了气泡群对液体脉动和掺混特性的影响；提出了“类催化性颗粒”湍流的新概念，利用两相颗粒相变过程的动态循环，极大增强了湍流热对流的热输运效率。（2）在离散泡状Taylor-Couette湍流方面，研究了粗糙壁面和疏水表面对气泡减阻的影响；揭示了沸腾蒸汽泡和固体球形颗粒对湍流阻力的影响。（3）针对离散相气泡和颗粒在湍流中的动力学特性，研究了有限尺寸气泡在湍流中的分散特性，发现转动惯量对于气泡和轻颗粒运动模式的重要作用，研究了非球形颗粒在湍流热对流中的旋转动力学。（4）针对单相湍流这一基本平台，研究了粗糙壁面条件下的Taylor-Couette湍流，首次实验证实了终极极限湍流状态的存在，揭示了不对称棘轮状粗糙结构能够有效控制湍流相干结构和热输运，提出了超重力湍流的新概念来极大提高瑞利数。本项目研究期间发表高水平SCI论文共计33篇，培养7名博士生和1名博士后。