【学术前沿|吴建钊】振动激励对热湍流结构生成演化和输运规律的影响研究
风流知音(FLOWS:Physics & beyond)【学术前沿|吴建钊】振动激励对热湍流结构生成演化和输运规律的影响研究 CFDST(2023年3月8日)1057
1. 上海大学力学与工程科学学院，上海，200042
2. 清华大学能源与动力工程系，北京，100084
Vibration-induced ‘anti-gravity’ tames thermal turbulenceat high Rayleigh numbers湍流是流体运动的普遍形式，结构和输运是湍流的核心问题。振动激励下的湍流流动普遍存在于工程应用中，机械振动等外部激励将改变湍流结构的生成和演化规律，从而极大地影响湍流的物质、动量和能量输运。例如，在潜艇的冷却系统中，管道振动等外部激励对管道内部湍流流动的影响是冷却管路系统设计过程中必须要着重考虑的因素。有针对性地开展振动热湍流结构生成演化规律及输运机理研究，既可以帮助人们获得湍流机理的新认识和新理解，又可以为潜在的工业应用提供理论指导。
热湍流是最典型的湍流系统，它普遍存在于自然界和各类工程问题中，是地球、行星与恒星（如太阳等）上众多大尺度流动现象的本源，控制着大气、海洋与地幔中物质和能量的交换与输运。近年来，热湍流输运的控制是湍流研究的热点和难点问题。2020年，周全团队在《Science Advances》发表的工作中，首次将振动激励引入热湍流系统中，提出了通过振动激励控制热湍流输运的新机制和新方法。本研究是振动激励控制热湍流输运研究的后续系列工作之一。
图1: 竖直振动激励下RB热湍流的瞬时流动结构：（a）无振动ω=0，（b）无量纲振动频率ω=400，（c）无量纲振动频率ω=700。随着振动频率的增加，羽流结构越来越少，说明振动激励抑制热湍流结构生成的作用越来越强。（d）努赛尔数Nu(ω)/ Nu(0)和雷诺数Re(ω) / Re(0)随无量纲振动频率ω的变化。以上所有计算结果均在瑞利数Ra=109，普朗特数Pr=4.38，无量纲振幅a=1.52×10-3情况下。（f）竖直振动激励下的Rayleigh-Bénard热湍流系统物理模型。在该项研究中，周全团队以经典的热湍流模型----Rayleigh-Bénard（RB）热湍流系统为主要研究对象（见图1f），通过直接数值模拟方法系统研究了竖直振动激励对RB系统中湍流结构和热输运特性的影响。研究发现：施加于RB对流槽的竖直振动会产生一个与重力方向相反的平均振动力----“人工反重力”作用，从而减弱了原有重力的驱动作用，抑制了羽流结构的生成（见图1a-c）。由于羽流结构是热的最主要载体，控制着系统热输运过程，羽流结构的减少最终导致了湍流传热效率的降低。研究结果表明，高频竖直振动激励产生的“反重力”作用，增强了RB湍流热对流的稳定性，减弱了系统的流动强度（见图1e），实现了湍流输运效率近40%的降低（见图1d）。
通过考虑原有重力和振动激励产生的“人工反重力”的综合作用，提出了一个新的用于描述振动激励下热湍流系统的控制参数----等效瑞利数 Raeff 。然后，将新的控制参数 Raeff 替换经典Grossmann-Lohse（GL）理论的瑞利数Ra，成功实现了经典GL理论在振动激励下热湍流系统中的拓展。将拓展GL理论的预测结果与直接数值模拟结果进行对比，可以发现两者结果吻合很好（见图2），进一步验证了拓展GL理论的可行性和正确性。
图2: 振动驱动热湍流的Grossmann-Lohse理论预测结果（实线）和直接数值模拟结果的对比（实心点）：（a）瑞利数Ra=107，（b）Ra=3×107，（c）Ra=108，（d）Ra=3×108，（e）Ra=109。
主要结论：
该研究结果揭示了竖直振动激励产生“人工反重力”抑制热湍流结构生成，降低热湍流输运的机理，为实现湍流输运的控制和发展相应的湍流控制方法开辟了新的思路。该研究得到的振动热湍流GL理论对实际工程中预测振动激励对湍流输运的影响具有重要的指导意义。
该论文的第一作者为上海市应用数学和力学所、上海大学力学与工程科学学院吴建钊，第二作者为王伯福教授，王伯福、庄启亮和周全教授为共同通讯作者，论文合作者包括上海大学的董宇红教授和清华大学的孙超教授。
论文链接：
https://doi.org/10.1017/jfm.2022.850
第一和通讯作者简介：
吴建钊，男，本科和硕士就读于北京航空航天大学，博士毕业于法国里昂中央理工大学/法国流体力学和声学实验室，2019加入上海大学力学与工程科学学院/上海市应用数学和力学研究所。研究方向为振动热湍流、湍流输运和控制等。研究成果发表在Journal of Fluid Mechanics、Physics of Fluids等国际知名期刊上，共发表SCI论文20余篇。曾入选2021年上海市浦江人才计划（A类），主持国家自然科学青年基金项目、中国博士后科学基金面上项目。王伯福，上海大学教授、博士生导师。分别于 2008年和2013年从中国科学技术大学近代力学系获得学士和博士学位。博士毕业后在武汉大学从事博士后工作。2016年进入上海市应用数学和力学研究所工作。曾赴台湾大学，杜伦大学，诺丁汉大学交流访问。研究方向为流动稳定性分析与流动控制，振动热湍流，壁湍流，机器学习方法在流体力学中的应用等，研究成果发表在Science Advances、Journal of Fluid Mechanics 、AIAA Journal等期刊，共发表SCI论文50余篇。承担国家自然科学基金2两项，上海市自然科学基金1项，并参与国家自然科学基金重点项目和上海市自然科学基金若干。任上海市力学学会青年工作委员会秘书长。 
庄启亮，上海大学教授，博士生导师，于香港中文大学取得物理学士学位和流体力学硕博学位，硕博期间跟随夏克青院士研究浮力驱动湍流中的湍流结构与热量输运问题。其后，赴荷兰特文特大学跟随Detlef Lohse 教授进行博士后研究，进一步开展多相湍流相关研究工作，深入研究当中的物质输运机理。曾获得国家海外优青、上海市高层次人才计划、裘槎博士后研究奖学金。主要从事浮力驱动湍流和多相湍流等流体力学研究，共发表44篇SCI论文，当中包括Science Advances、Nature Communications、PNAS、Phys.Rev. Lett.、J. Fluid Mech.、J. Comput. Phys. 等。论文曾获选为Phys. Rev. Lett.、Journal of FluidMechanics封面文章，Phys. Rev. Fluids的编辑推荐等。有关飞沫病毒传播的研究成果获选为2021年ESI高被引文章。
