近日，南方科技大学力学与航空航天工程系讲席教授、中国科学院院士夏克青课题组对旋转热对流系统的边壁流的传热特性进行定量研究，给出边壁流传热效率标度律的理论解释，为统一高转速热对流实验及数值模拟传热数据提供了关键拼图，并以“存在边壁流的地转区间旋转瑞利-伯纳德热对流传热和流态研究（Heat transport and flow morphology of geostrophic rotating Rayleigh–Bénard convection in the presence of boundary flow）”为题，作为封面文章发表在流体力学学术期刊Journal of Fluid Mechanics上。      热驱动的旋转湍流广泛存在于地球物理及天体物理体系以及相关工业应用之中，是一个重要的基础物理系统。自然界中大部分旋转热对流系统并没有明确的侧向边界，但实际的实验研究中不可避免地存在侧向边界。早在二十世纪九十年代，研究人员发现在边壁附近会形成被称为壁模态的对流结构；而到了最近，人们发现即便在强热驱动、强湍流的参数条件下，边壁上仍然存在与系统中心区域完全不同的流动结构。由于对边壁流的传热和流动特征缺乏系统认识，相关的研究结果目前仍然缺乏定量的理解，而且存在边壁的实验结果与使用周期性边界条件的数值研究结果也始终无法统一。

图1  (a)体区间局部传热效率 (b)边壁流局部传热效率

针对此问题，夏克青课题组借助直接数值模拟方法，对边壁流和系统中心区域（体区间）进行划分，并分别对这两个区域的传热效率进行定量研究。研究发现，体区间的传热特性与使用周期性边界条件的系统相似（图1a）；同时，该研究也首次给出边壁流传热特性的定量结果及理论解释（图1b）。结合该结果，实验条件下的旋转热对流传热结果便可和使用周期边界的数值模拟结果统一起来。

图2  (a)稳态边壁流流线图 (b)涡状边壁流流线图

除了传热特性外，该研究也在边壁流的流动结构上有了新发现。在热驱动强度较低时，边壁流的流动结构呈现出与壁模态类似的稳定的流动结构（图2a）。但随着热驱动强度增加，原本稳定的边壁流结构会突然破碎成涡状（图2b），并伴随局部传热效率的突然下降（图1b插图）。

该研究结果为统一不同侧向边界条件的实验及数值模拟研究结果提供了思路及依据，填补了旋转热对流领域的关键缺口。另外，研究也证实了边界流区域的流动结构和传热特性的联系，对旋转热对流领域的实验研究有重要的参考意义。

夏克青院士课题组博士后丁广裕为论文第一作者，南科大为第一论文单位，夏克青院士为论文通讯作者。该研究获得国家自然科学基金、香港研究资助局资助。

论文链接：https://doi.org/10.1017/jfm.2023.872 

供稿：力学与航空航天工程系

通讯员：史露静

主图：张为创

编辑：曾昱雯、朱增光