項(xiàng)目名稱： 湍流熱對流的實(shí)驗(yàn)研究

推薦單位： 專家推薦

項(xiàng)目簡介： 本項(xiàng)目是流體力學(xué)領(lǐng)域中一個重要問題的綜合實(shí)驗(yàn)研究。在過去十幾年中項(xiàng)目完成人結(jié)合一系列實(shí)驗(yàn)方法對湍流熱對流系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)全面地深入探索。主要內(nèi)容和科學(xué)價(jià)值如下：

1) 在比目前所有實(shí)驗(yàn)大兩個數(shù)量級的普朗特?cái)?shù)范圍內(nèi)，精確地測量了熱傳輸效率和普朗特?cái)?shù)的依賴關(guān)系，此關(guān)系否定了一個重要理論預(yù)測。該結(jié)果現(xiàn)已被公認(rèn)為此領(lǐng)域中的一個基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。通過在實(shí)驗(yàn)上調(diào)制流動模式的分離以及切換，揭示了不同流動模式可以產(chǎn)生不同傳熱效率。從而解釋了整體熱傳輸效率二元化的機(jī)理。

2) 有別于一般的湍流，熱對流有兩種類型的邊界層：溫度邊界層和速度邊界層并且它們是相互耦合的。本項(xiàng)目發(fā)展了一套可以用來測量耦合邊界層內(nèi)速度場的方法，并利用該方法精確地測量了速度邊界層厚度對一系列參數(shù)的依賴關(guān)系。設(shè)計(jì)了一套溫度測量方法，精確地測量了溫度邊界層的空間結(jié)構(gòu)。上述測量結(jié)果是理論和模擬兩個方面的重要參考數(shù)據(jù)之一。

3) 系統(tǒng)地全面地研究湍流熱對流中大尺度環(huán)流起源以及發(fā)展，給出了大尺度環(huán)流生成機(jī)制。首次研究熱羽流的幾何特性。成功地獲得大尺度環(huán)流的空間速度場分布，并解釋了驅(qū)動大尺度環(huán)流的動力學(xué)機(jī)制。給出了"熱羽流觸發(fā)"模型的最直接的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

SCI統(tǒng)計(jì)：截止到2008年2月20日，完成人已發(fā)表及接收72篇論文其中SCI論文59篇（包括14篇PRL，5篇JFM以及16篇PRE）被SCI引用726次，其中SCI他引444次。10篇代表性論文被SCI引用225次，其中SCI他引135次。完成人先后30余次被邀請做國內(nèi)國際會議報(bào)告。他獲得香港裘槎基金會杰出科研者獎 (2005－2006)。完成人由此項(xiàng)目培養(yǎng)的博士生中有一人現(xiàn)為中科院百人計(jì)劃，一人現(xiàn)為香港中文大學(xué)物理系研究助理教授，一人獲得香港青年科學(xué)家獎。

主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)： 本項(xiàng)目是對湍流熱對流問題的系統(tǒng)全面的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了一系列新的規(guī)律，主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)如下：

1) 在超出當(dāng)時(shí)所有實(shí)驗(yàn)兩個數(shù)量級的普朗特?cái)?shù)(Pr)范圍內(nèi)精確地測量了熱傳輸效率Nu與Pr數(shù)的依賴關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在大Pr數(shù)下Nu隨Pr增加而減小。此結(jié)果否定了著名的Kraichnan模型的一個重要預(yù)測。而測量到的Nu和Pr的依賴關(guān)系成為當(dāng)時(shí)新模型（GL模型）的首次獨(dú)立驗(yàn)證。【代表論文1】

2) 發(fā)展了一套耦合邊界層內(nèi)速度的測量方法，利用該方法首次成功地測量了側(cè)壁和導(dǎo)板的速度邊界層厚度，發(fā)現(xiàn)側(cè)壁速度邊界層厚度和瑞利數(shù)之間滿足經(jīng)典邊界層標(biāo)度律，而導(dǎo)板的速度邊界層厚度和瑞利數(shù)之間則遵循一個新的標(biāo)度律行為，此結(jié)果不支持當(dāng)時(shí)一個重要理論模型（SS模型）的預(yù)測。【代表論文2，3】

3) 在超出當(dāng)時(shí)所有實(shí)驗(yàn)兩個數(shù)量級的普朗特?cái)?shù)范圍內(nèi)精確地直接測量了速度邊界層厚度以及系統(tǒng)的雷諾數(shù)，給出了邊界層厚度及雷諾數(shù)分別與普朗特?cái)?shù)和瑞利數(shù)之間的依賴關(guān)系。【代表論文4】

4) 首次觀測到系統(tǒng)如何從層流熱羽流自組織而形成大尺度環(huán)流的起始過程，從而確定了大尺度環(huán)流的產(chǎn)生機(jī)制。【代表論文5】

5) 在三個數(shù)量級的瑞利數(shù)范圍內(nèi)全面地測量了大尺度流動的二維速度場以及系統(tǒng)的高階統(tǒng)計(jì)量（速度脈動、時(shí)均動能、湍動能、雷諾應(yīng)力以及能量產(chǎn)生項(xiàng)）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明大尺度環(huán)流的驅(qū)動機(jī)理是浮力差而非雷諾應(yīng)力。同時(shí)發(fā)現(xiàn)了具有不同轉(zhuǎn)動頻率的內(nèi)核與外殼結(jié)構(gòu)，而它們的轉(zhuǎn)動頻率與瑞利數(shù)遵循不同的標(biāo)度律。【代表論文6】

6） 通過在實(shí)驗(yàn)上調(diào)制流動模式的分離以及切換，首次在實(shí)驗(yàn)上直接驗(yàn)證了不同流動模式可以產(chǎn)生不同傳熱效率。解釋了整體熱傳輸效率二元化的機(jī)理。【代表論文7】

7) 發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中所有的低頻振蕩都來源于上下導(dǎo)板熱羽流的交替觸發(fā)，而該觸發(fā)通過流體元的相互作用可以傳遞到系統(tǒng)的每一個角落。給出了"熱羽流觸發(fā)"模型的直接實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。【代表論文8】

8) 通過抑制大尺度環(huán)流，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)熱傳輸效率遵從和"硬湍流"狀態(tài)下相同的標(biāo)度律。但是系統(tǒng)中心溫度信號的脈動不再遵循指數(shù)分布。此發(fā)現(xiàn)改變了當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)為溫度脈動指數(shù)分布是與"硬湍流"共生的信念。 【代表論文9】

9) 首次對溫度邊界層的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)全面的測量。發(fā)現(xiàn)溫度邊界層厚度與瑞利數(shù)之間的標(biāo)度律對空間位置有系統(tǒng)的依賴關(guān)系，并給出標(biāo)度律指數(shù)與空間位置之間的定量公式。同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)瑞利數(shù)足夠大時(shí)，溫度邊界層的厚度趨向空間均勻。【代表論文10】

主要完成人： 夏克青

作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，提出項(xiàng)目，構(gòu)思及設(shè)計(jì)了所有實(shí)驗(yàn)，領(lǐng)導(dǎo)課題組成員完成所有實(shí)驗(yàn)并負(fù)責(zé)分析及解釋結(jié)果，對本項(xiàng)目所有主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)均做了決定性的貢獻(xiàn)。是本項(xiàng)目10篇代表性論文以及絕大部分論文的通信作者。本人在此研究項(xiàng)目中的工作量占本人工作量的百分之七十。