《轉動瑞利-貝納爾湍流對流的實驗研究》是依託同濟大學，由鐘錦強擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：轉動瑞利-貝納爾湍流對流的實驗研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：鐘錦強
- 依託單位：同濟大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
轉動Rayleigh-Benard對流作為經典的流體力學模型在地球科學，物理海洋學以及全球氣候研究等領域有著廣泛的套用。本項目將通過對轉動Rayleigh-Benard對流系統處於湍流分岔點時的流場結構的可視化研究，定量描述當轉速增加時系統的速度場從類靜止湍流對流態到轉動湍流對流態的轉變過程。 研究處於轉動湍流對流態中渦量場分布波數對Ro數和對流槽縱橫比的依賴關係，深入探討導致轉動對流系統傳熱效率增強的Ekman Pumping物理機制。為進一步研究多個充分發展的湍流態共存與相互轉化過程，探索在浮力和科里奧利力共同驅動下各湍流對流態的脈動量統計性質提供實驗依據。
結題摘要
在國家自然科學基金的支持下，我們對旋轉瑞利-貝納爾湍流對流體系的流場結構與傳熱特徵進行了研究，順利完成了原定研究目標與計畫。在實驗方面，我們在項目開展初期創建了高精度的旋轉Rayleigh-Bénard對流裝置。其中，對流系統的溫度控制精度達到1毫度；對表征傳熱效率的Nu數的測量精度在1%的範圍內與領域前沿已發表的理論計算與實驗測量結果相符。這些實驗參數表明我們創建的實驗平台的性能與精確度具備國際領先性。以創建的旋轉對流平台為基礎，我們研究瑞利-貝納爾對流在弱轉動態下出現湍流分岔時主要的流場結構---大尺度環流的流動特徵與動力學行為。實驗發現，在周期性科里奧利力的作用下，大尺度環流平面的方位角\theta 以及環流強度\delta都發生與科氏力同頻的振動；振動的相位隨著驅動頻率的增大逐漸滯後於系統轉速，這是實驗上對大尺度環流的慣性力效應的首次定量研究；通過拓展的理論模型，我們對\theta和\delta振動的幅度以及相位都給出了合理的解釋，並準確預言了實驗中觀察到的\theta振動的幅度的共振行為。我們在極高Ro數的條件下（300＜=Ro＜=1）觀察到了環流方位角\theta的線性進動。實驗得到的\gamma-Ro曲線在極低速（Ro>100）和一般實驗轉速（Ro<=10）的兩個區域分別與前人的實驗結果相符，從而完整地得到了大尺度環流在科里奧利力作用下進動速度隨轉速的函式變化關係。在完成項目研究內容期間，我們在包括Journal of Fluid Mechanics 等期刊上發表學術論文3篇；項目負責人獲得國家基金委面上項目和NSFC-RGC國際合作項目的資助。
