转动热对流中边界层的实验研究

Rotating convection is ubiquitous in nature and relevant to various industrial applications. Heat transport and the flow features in rotating turbulent convection are mainly determined by the dynamical properties of the boundary layers (BL). We propose to establish for the first time, a well-controlled experimental system to investigate the properties of the thermal and viscous BLs in rotating turbulent convection. Our research focuses on measurements of the thickness of the thermal BL in weak-rotating state to elucidate how local Ekman Pumping effect adds to the global heat transport. A high-resolution portrait of the instantaneous vertical profile of the viscous BL will be depicted in a strong-rotating state and compared with the classical Pandtl-Blasius boundary-layer theory, which will be extended or renovated in the geostrophic regime to represent the dynamical properties of Ekman layers. The proposed research is of fundamental research interest and may have broad applications in oceanography, geo- and astro-physical systems.

转动对流与众多的自然现象和工程应用密切相关。处于湍流状态下的转动热对流系统中，边界层的热动力学性质决定了全局的传热效率与流场特性。本项目拟在高精度的转动Rayleigh-Bénard对流系统中，首次开展对热边界层和粘性边界层的厚度以及瞬时剖面的精密测量。在“弱转动对流态”下通过研究热边界层厚度对转速的响应，揭示局域Ekman Pumping泵吸作用增强全局对流热通量的物理机制；在强转动态下探索Pandtl-Blasius型和Ekman型粘性边界层的瞬时剖面的统计性质；从而拓展或革新传统边界层理论对处于地转平衡状态下对流流体边界层的描述。研究成果将有助于人们深入认识和理解海洋科学、地球物理以及天文学中相关的转动对流运动。项目研究具有重要科学价值。

旋转对流与众多的自然现象和工程应用密切相关。对于处于湍流状态下的旋转热对流系统，边界层的热动力学性质决定了全局的传热效率与流场特性。本项目在高速旋转平台上创建了高精度的Rayleigh-Bénard对流装置与高分辨流场成像系统。我们实验研究工作揭示了在Ekman pumping效应显著的弱转动状态下，热边界层外的温度方差呈现幂函数分布的重要规律。通过对温度涨落各阶统计量的理论计算，我们解释了在旋转作用下温度方差增长而温度涨落的偏度与峰度则变弱的实验结果。我们的研究结果从湍流结构特性决定湍流小尺度脉动统计性质的观点，加深了人们对热湍流温度脉动的物理机制的理解。. 基于这些研究成果，我们在国际顶级流体力学类学术期刊Journal of Fluid Mechanics上发表论文4篇，在国际知名学术期刊Physical Review Fluids上发表论文4篇。项目负责人应邀在24届国际理论与应用力学会议（ICTAM-2016）等有影响力的国内外学术会议上做邀请报告3次。本项目共培养研究生5名（已有2名分别获得博士学位，1名获得硕士学位）。