项目名称： 湍流热对流的实验研究

推荐单位： 专家推荐

项目简介： 本项目是流体力学领域中一个重要问题的综合实验研究。在过去十几年中项目完成人结合一系列实验方法对湍流热对流系统进行了系统全面地深入探索。主要内容和科学价值如下：

1) 在比目前所有实验大两个数量级的普朗特数范围内，精确地测量了热传输效率和普朗特数的依赖关系，此关系否定了一个重要理论预测。该结果现已被公认为此领域中的一个基准数据。通过在实验上调制流动模式的分离以及切换，揭示了不同流动模式可以产生不同传热效率。从而解释了整体热传输效率二元化的机理。

2) 有别于一般的湍流，热对流有两种类型的边界层：温度边界层和速度边界层并且它们是相互耦合的。本项目发展了一套可以用来测量耦合边界层内速度场的方法，并利用该方法精确地测量了速度边界层厚度对一系列参数的依赖关系。设计了一套温度测量方法，精确地测量了温度边界层的空间结构。上述测量结果是理论和模拟两个方面的重要参考数据之一。

3) 系统地全面地研究湍流热对流中大尺度环流起源以及发展，给出了大尺度环流生成机制。首次研究热羽流的几何特性。成功地获得大尺度环流的空间速度场分布，并解释了驱动大尺度环流的动力学机制。给出了"热羽流触发"模型的最直接的实验验证。

SCI统计：截止到2008年2月20日，完成人已发表及接收72篇论文其中SCI论文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篇代表性论文被SCI引用225次，其中SCI他引135次。完成人先后30余次被邀请做国内国际会议报告。他获得香港裘槎基金会杰出科研者奖 (2005－2006)。完成人由此项目培养的博士生中有一人现为中科院百人计划，一人现为香港中文大学物理系研究助理教授，一人获得香港青年科学家奖。

主要发现点： 本项目是对湍流热对流问题的系统全面的实验研究，发现了一系列新的规律，主要发现点如下：

1) 在超出当时所有实验两个数量级的普朗特数(Pr)范围内精确地测量了热传输效率Nu与Pr数的依赖关系，发现在大Pr数下Nu随Pr增加而减小。此结果否定了著名的Kraichnan模型的一个重要预测。而测量到的Nu和Pr的依赖关系成为当时新模型（GL模型）的首次独立验证。【代表论文1】

2) 发展了一套耦合边界层内速度的测量方法，利用该方法首次成功地测量了侧壁和导板的速度边界层厚度，发现侧壁速度边界层厚度和瑞利数之间满足经典边界层标度律，而导板的速度边界层厚度和瑞利数之间则遵循一个新的标度律行为，此结果不支持当时一个重要理论模型（SS模型）的预测。【代表论文2，3】

3) 在超出当时所有实验两个数量级的普朗特数范围内精确地直接测量了速度边界层厚度以及系统的雷诺数，给出了边界层厚度及雷诺数分别与普朗特数和瑞利数之间的依赖关系。【代表论文4】

4) 首次观测到系统如何从层流热羽流自组织而形成大尺度环流的起始过程，从而确定了大尺度环流的产生机制。【代表论文5】

5) 在三个数量级的瑞利数范围内全面地测量了大尺度流动的二维速度场以及系统的高阶统计量（速度脉动、时均动能、湍动能、雷诺应力以及能量产生项）。实验结果表明大尺度环流的驱动机理是浮力差而非雷诺应力。同时发现了具有不同转动频率的内核与外壳结构，而它们的转动频率与瑞利数遵循不同的标度律。【代表论文6】

6） 通过在实验上调制流动模式的分离以及切换，首次在实验上直接验证了不同流动模式可以产生不同传热效率。解释了整体热传输效率二元化的机理。【代表论文7】

7) 发现系统中所有的低频振荡都来源于上下导板热羽流的交替触发，而该触发通过流体元的相互作用可以传递到系统的每一个角落。给出了"热羽流触发"模型的直接实验验证。【代表论文8】

8) 通过抑制大尺度环流，发现系统热传输效率遵从和"硬湍流"状态下相同的标度律。但是系统中心温度信号的脉动不再遵循指数分布。此发现改变了当时普遍认为温度脉动指数分布是与"硬湍流"共生的信念。 【代表论文9】

9) 首次对温度边界层的空间结构进行了系统全面的测量。发现温度边界层厚度与瑞利数之间的标度律对空间位置有系统的依赖关系，并给出标度律指数与空间位置之间的定量公式。同时发现当瑞利数足够大时，温度边界层的厚度趋向空间均匀。【代表论文10】

主要完成人： 夏克青

作为项目负责人，提出项目，构思及设计了所有实验，领导课题组成员完成所有实验并负责分析及解释结果，对本项目所有主要发现点均做了决定性的贡献。是本项目10篇代表性论文以及绝大部分论文的通信作者。本人在此研究项目中的工作量占本人工作量的百分之七十。