热湍流多重态与热输运效率实验研究

摘要

湍流多重态是近期湍流研究的热点问题。多重态是指在相同的控制参数下,湍流系统会出现不同的流动结构和统计特性。文章通过实验研究,分析了Rayleigh-Bénard热湍流系统中的多重态现象以及湍流态与热输运的关系。首先借助粒子图像测速技术直接测量了偶极子流态和四极子流态的空间结构,结果表明通过温度场和速度场测量得到的大尺度湍流结构信息是一致的。通过流动结构和热输运同步测量发现热湍流中存在以不同大尺度湍流结构为典型特征的多重态现象,且高阶模态主导的湍流态的热输运效率高于低阶模态主导的湍流态,说明高对称性流态热输运效率高于低对称性流态,为通过调控大尺度湍流结构从而调控热湍流输运效率提供理论基础。随着热湍流控制参数Rayleigh数的增加,大尺度湍流结构会由高阶模态主导的流态演化到偶极子流态,这里偶极子流态对应于最低阶的流动模态。此外,研究中采用的圆环对流腔体会引入空间约束效应。进一步分析发现空间约束效应不仅会改变大尺度湍流结构的动力学特性,也会改变热湍流的热输运特性:当空间约束导致高阶模态主导的湍流态出现时,其会增强热湍流系统的热输运效率;反之,当空间约束导致低阶模态主导的湍流流态出现时,其则会抑制热湍流系统的热输运效率。