热湍流研究的新十年:从聚焦传统到延伸拓展

热湍流(浮力驱动湍流)作为一种典型的湍流现象,广泛存在于自然界和工程应用中. Rayleigh-Bénard (RB)湍流是从众多自然现象中抽象出来研究热湍流的经典模型, RB湍流的典型特征是系统中存在大尺度环流和羽流等不同尺度的湍流结构,这些结构通过作用于边界层,影响RB湍流的输运效率.因此,明确不同尺度湍流结构的生成、演化和作用机理,对理解RB湍流的输运特性至关重要,也是通过控制湍流结构调控输运效率的科学基础.本文重点从湍流结构的时空演化规律、输运特性、湍流调控和热湍流在其他领域的拓展四个方面评述近十年来RB湍流研究所取得的新进展,并对今后的研究方向做出展望.     

湍流热对流中的若干问题

对流是自然界中的一种常见现象,与人们的日常生产、生活息息相关。作为湍流和非线性系统的一个简单模型,在20世纪90年代以后,人们对热对流进行了系统而深入的研究。然而,直到现在,人们对湍流热对流的规律和本质仍然所知有限。文章主要从湍流传热、相干结构、大尺度环流和湍流中脉动量的小尺度统计等四个方面,简要地介绍了近年来湍流热对流的一些新进展。     

EXTENDED SELF SIMILARITY OF PASSIVE SCALAR IN RAYLEIGH-BNARD CONVECTION FLOW BASED ON WAVELET TRANSFORM

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Rayleigh-Bénard湍流热对流研究的进展、现状及展望

对流现象广泛存在于恒星和行星里.在地球上,对流现象在诸如大气、海洋、地核和地幔等众多动力学系统中起着重要作用.Rayleigh-Bénard(RB)湍流热对流系统是从这些复杂的自然现象中抽象出来的研究对流问题的经典流体力学模型.本文主要从湍流传热、羽流、大尺度流动结构、速度和温度脉动的小尺度统计和非传统RB对流等几个方面着重评述近年来RB对流的若干研究新进展,并对今后的研究做出展望.     

湍流热对流中的动力学和传热研究

文章介绍了湍流热对流中流动结构和动力学的实验研究. 本文作者通过流动示标和粒子成像测速系统（PIV）的测量,清晰地揭示了对流系统的三维流动结构,发现大尺度环流的角向运动在不同的时间尺度上有不同的表现. 通过统计分析,本文作者进一步发现大尺度环流方位角的变化具有布朗棘齿的特性,并且从实验上证明在湍流热对流系统中不同的流动模式的确可以得到不同的传热效率.     

用子波方法研究Rayleigh-Bénard对流温度信号的标度律

采用子波分析方法 ,对实验中测得的Rayleigh_B啨ｎａｒｄ对流温度信号 (被动标量 )的标度律 ,从以下两个方面进行了研究 :第一方面 ,直接采用扩展的结构函数 (ESS)的公式对温度信号进行了分析 ,研究结果表明 ,采用该方法后的标度区域明显比不采用扩展结构函数的标度区域要宽 ,得到的标度指数与其它实验中得到的温度信号标度指数 ξ(q)一致 ;第二个方面 ,将 A .Arneodo等人对湍流中速度信号提出的基于子波分析的扩展标度公式 ,推广应用于温度信号 ,给出了一个描述温度信号的、基于子波分析的扩展标度公式 ,研究结果表明 ,提出的建立在子波系数极大模求和基础上的扩展标度公式 ,也能够比较准确地提取温度信号的标度指数 ξ(q) ·     

EXTENDED SELF SIMILARITY OF PASSIVE SCALAR IN RAYLEIGH-BNARD CONVECTION FLOW BASED ON WAVELET TRANSFORM

Wavetet transform was used to analyze the scaling law of temperature data (passive scalar) in Rayleigh-Bénard convection flow from two aspects. The first one was to utilize the method of extended self similarity, presented first by Benzi et al., to study the scaling exponent of temperature data. The obtained results show that the inertial range is much wider than that one determined directly from the conventional structure function, and find the obtained scaling exponent agrees well with the one obtained from the temperature data in an experiment of wind tunnel. The second one was that, by extending the formula which was proposed by A. Arneodo et al. for extracting the scaling exponent ζ(q) of velocity data to temperature data, a newly defined formula which is also based on wavelet transform, and can determine the scaling exponent ξ(q) of temperature data was proposed. The obtained results demonstrate that by using the method which is named as WTMM (wavelet transform maximum modulus) ξ(q) correctly can be extracted.     

封面说明

封面图为利用热敏液晶技术在对流槽不同高度拍摄到的俯视图.图中颜色由红到绿再到蓝,代表了温度由低到高,通过选用较长的曝光时间(0.77s),拍摄到的图片可以记录下热敏液晶粒子的运动轨迹,由这些轨迹我们可以得到流场的分布.左图为距离对流槽上底板2mm处拍摄到的图片.图中粒子的     

湍流热对流中的若干问题

对流是自然界中的一种常见现象,与人们的日常生产、生活息息相关。作为湍流和非线性系统的一个简单模型,在20世纪90年代以后,人们对热对流进行了系统而深入的研究。然而,直到现在,人们对湍流热对流的规律和本质仍然所知有限。文章主要从湍流传热、相干结构、大尺度环流和湍流中脉动量的小尺度统计等四个方面,简要地介绍了近年来湍流热对流的一些新进展。