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我院郗恒东课题组在湍热对流中的高阶流动模态研究方面取得新进展
2016-09-27 09:17   审核人:

近日,航空学院湍流与复杂流动实验室郗恒东教授课题组与香港中文大学夏克青教授课题组合作研究了湍热对流(Turbulent thermal convection)中高阶流动模态的动力学特性和统计特性,发现高阶流动模式在大尺度环流停滞和反转时占主导地位,揭示了大尺度环流的停滞和反转的动力学过程和规律。研究还揭示出系统内部流动模态的演变对系统整体传热效率的调控作用。研究结果极大地推动了人们对热对流中大尺度环流停滞和反转的认识。

     对流现象不仅在日常生活中很常见,同时也是自然界中很普遍的现象,比如:引起天气、气候变化的大气环流、海洋环流,引起大陆板块漂移的地幔对流,决定地磁场产生和变化的外地核对流。 湍热对流研究不但可以深化人们对星际、海洋、大气、地球中对流现象的认识,  而且还可以对解决工程中的传热问题给出指导。 从基础研究的角度来讲,湍流问题被认为是最后一个尚未解决的经典物理问题,而Rayleigh-Bénard (RB)系统被认为是研究湍流的几个最简单的模型之一。 所谓RB系统就是在一个封闭的容器内, 加热下板,冷却上板,保持上下板的温度差恒定。当上下板的温差超过临界值,下(上)板附近的流体元被下(上)板加热膨胀(冷却收缩),流体元密度减小(增大),由于浮力的作用而上升(下降),形成的一种蘑菇状的流动结构,叫作热(冷)羽流 (plume) 众多羽流通过自组织形成跟对流系统尺寸大小相若大尺度环流(郗恒东等,Journal of Fluid Mechanics2004)。大尺度环流的一个非常有趣的特性是存在着偶然发生的流场强度瞬时消失的现象,这一现象被称为大尺度环流的停滞(cessation)。当大尺度环流停滞事件发生时, 其面内流体运动突然停滞, 其强度暂时消失, 然后在一个新的方向上重新形成新的大尺度流动, 如果新的大尺度环流方向与停滞之前的流动方向相反,就称为大尺度环流的反转(reversal)。过去对大尺度环流停滞和反转有了很多研究,但是大尺度环流发生停滞和反转时,流体内部的流动状态还不甚清楚。流向反转在流体力学中是极为重要的一类问题,很多湍流系统都存在着流向反转现象。而自然界中存在的大气环流反转、海洋环流反转和由外地核对流反转所引起的地球磁场反转等,都意味着对这一类问题的研究具有极其重要的实用价值。由于简单的边界条件和易于控制的特性,RB系统可以作为一个简单的模型被用来研究流向反转现象。然而,前人的实验要么得到的流向反转事件有不确定性,要么得到的流向反转事件数太少,不足以做统计研究。最近,郗恒东和夏克青从实验上研究了大尺度环反转的长时间统计特性,发现其与地球磁场的反转存在很多共同之处(郗恒东等,Physical Review E, 2007)。说明这个简单系统中的流向反转很有可能和外地核的对流反转一样都是由某种相似的机制所控制的。

为了进一步揭示大尺度环流停滞和反转的机理,郗恒东及其合作者进一步研究了大尺度环流发生停滞/反转的过程中,一阶流动模态和其他高阶流动模态的时间演化,基于从长时间实验上得到的大量停滞/反转事件,得到了大尺度环流停滞/反转时各阶模态的系综平均(ensemble average),发现在大尺度环流停滞/反转时,一阶模态迅速减弱,二阶模态迅速增强并主导,其他高阶模态也增强并超过一阶模态。该研究第一次从实验上给出了大尺度环流反转时的整个动力学过程。为理解大尺度环流反转的机理提供了坚实的实验基础。研究还发现一阶模态对应更高的传热效率,高阶模态对应低的传热效率,建立了系统内部流动模态与全局传热效率的对应关系。这使得通过控制内部流动结构来控制对流传热效率成为可能。此外,实验数据表明传热效率在时间上的变化领先于模态强度的变化,这个结果揭示出大尺度环流的停滞和反转有可能起源于边界层的不稳定性。

该研究工作发表在流体力学领域顶级学术期刊Journal of Fluid Mechanics (简称JFM,中科院二区,IF=2.4)上。郗恒东教授是这篇论文的第一兼通讯作者。学生第一作者为航空学院2015级硕士研究生张亿宝。 这是三十年来以西工大为第一单位发表的第三篇JFM论文。(审核:杨智春)

论文链接:http://dx.doi.org/10.1017/jfm.2016.572

郗恒东教授研究组主页:http://jszy.nwpu.edu.cn/hengdongxi.html

 

新闻链接

  Journal of Fluid Mechanics 是由英国剑桥大学出版社(Cambridge University Press 创办最早的国际流体力学顶级学术期刊(Leading Journal),已历经近百年。该顶级流体力学学术期刊发表的论文涵盖了流体力学领域各个分支,包括理论分析、数值计算和实验研究等方面的权威文章 authoritative articles),审稿极其严格,能否在该期刊上发表论文已成为流体力学研究领域判断其研究是否进入前沿的标志之一。

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