粗糙壁面Rayleigh-Bénard湍流热对流研究进展

粗糙壁面湍流广泛存在于自然界和工程技术等诸多领域,对其深入研究具有重要的理论价值和现实意义,既可以帮助揭示湍流边界层中的结构生成和动力学过程,又与很多实际应用息息相关.本文主要关注RayleighBénard湍流热对流这一典型的封闭湍流系统,着重评述了近年来粗糙壁面热对流领域内的若干研究新进展,包括粗糙壁面如何增强/减弱系统的整体热输运效率、粗糙壁面是否有利于终极区间的实现等.最后,对今后的研究工作进行展望.粗糙壁面对湍流输运的影响需要更进一步对边界层精细测量研究,粗糙壁面所引发羽流等湍流结构的生成和分离,与大尺度环流的单涡流动结构和多涡流动结构演化发展研究相对较少,粗糙元几何结构导致对称性流动结构的影响研究仍需更深入的探讨.     

湍流热对流系统中粗糙壁面对流动结构的影响

自然界中存在的热对流现象大部分都具有粗糙边界, 研究粗糙壁面 Rayleigh-Bénard(RB)湍流热对流对理解湍流传热和流动结构具有重要的理论价值和实际意义. 采用数值模拟的方法研究二维粗糙壁面对 RB 湍流热对流流动结构的影响, 主要参数 Rayleigh 数(Ra)和 Prandtl 数(Pr)分别为 10$^{7}\le $Ra$\le $10$^{9}$和 $Pr = 0.7$. 计算中采用的粗糙元形状为等腰直角三角形. 结果表明:粗糙元对大尺度环流的抑制作用与粗糙元对羽流的生成和二次涡的促进作用相互竞争, 导致 Reynolds 数(Re)变化复杂, Ra 数与 Re 数的标度律关系异常.