从对流斑图、混沌结构到湍流流场，低Pr数热对流体系大尺度环流的演化与动力学特性

Rayleigh-Bénard (RB) convection is a classical problem in fluid dynamics. Thermally-driven convective turbulent flows is the most common type of turbulent flows occurring in nature. Examples include those in the stars, in the atmosphere and the liquid core of planets. As Ra number increases, the flow state range from simple oscillatory motion, transition to chaos, chaotic motion, soft and hard turbulence. As Ra number is larger than the onset of convection, the plume is emitted and de-attached from boundary layer near the solid surface. In the fully developed turbulent thermal convection, the plume is merged and self-organized into a well-defined and nearly coherent circulating roll spanning the height of the convection cell, in defiant of the turbulent background. The heat transport and large-scale circulation will be measured in cylindrical Rayleigh-Bénard convection sample with unity aspect ratio (Γ=D/H=1, D the diameter and H the height of sample) with a Prandtl number 0.67, and Ra ranging from 1E+3 to 1E+10. The heat transport Nu number will be measured as a function of Ra, over the Ra range three regimes of different heat transport behaviors will be determined: conduction, onset of convection, and the turbulent thermal regime. In the regime where the LSC exists, with multiple-thermometer probes technique, the dynamics of LSC over long period will be measured. The feature event of the LSC plane, such as the azimuthal rotation, the occasional cessation, and the reversal will be distinguished. The Reynolds number based on this LSC turnover time scale will be defined, and compare with the previous measurement in higher Pr number. The measurement will provide a better understanding on the pattern formation in biology and the astrophysics phenomena, such as the granular on solar surface.

Rayleigh-Bénard系统是从众多自然现象中抽象出来的研究对流问题的经典流体力学模型。随着Ra数增加，系统内的流动结构从对流斑图，混沌结构到湍流的流场演化。在充分湍流状态，羽流从温度边界层中生成，分离，并自组织形成大尺度环流(LSC)。在一个径高比为1，系统测量范围为Pr=0.67， 1E+3<Ra<1E+10的RB对流系统中，我们将测量RB系统的传热效率Nu与Ra,Pr数的依赖关系，并区分：热传导，对流转捩点和湍流热对流3个区间。在大尺度环流存在的状态下，对大尺度环流的特征事件：停滞事件，净转动和反转进行研究；并对LSC自身的摇摆模式及晃动模式进行分析。基于大尺度环流定义Re数,测量其与2个控制参量的依赖关系。对流动结构的研究可应用生物中微生物的团簇聚集现象，也将对天体中譬如太阳“颗粒”现象提供进一步的理解。

热对流广泛存在于自然界和各种工程问题中，Rayleigh-Bénard (RB)热对流系统是从众多自然现象中抽象出来的经典流体力学模型。热对流系统中的大尺度环流与大洋环流，大气环流以及地幔中的环流密切相关。实验测量的物理量可以根据标度率，扩展应用在自然对流中。因此人们需要在实验室条件下对不同参数区间下的热对流系统内的热输运规律，大尺度环流以及环流所代表的湍流情况进行测量研究。然而Pr<1条件下的RB热对流系统的传热以及大尺度环流还缺乏实验数据，因此这个参数区间下的RB热对流系统亟需实验测量研究。.项目主要是进行RB湍流热对流系统中传热效率、温度梯度以及大尺度环流的实验研究。其研究内容如下：1）RB湍流热对流系统中的固体侧壁具有一定厚度和热传导能力，系统的热量并不完全被流体携带走，因此我们使用不同的气体作为工作流体来研究测量固体侧壁对热对流传热的影响。2）RB湍流热对流内部的局部温度特性是理解能量级串的一个重要物理量，因此气体RB湍流热对流系统中的温度梯度是本项目的研究内容之一。3）大尺度环流具有特征振荡时间，这个特征时间可以用来计算雷诺数Re，在更广泛的参数范围下Re数与Ra数的依赖关系是其中一个研究内容。.测量得到了重要且新颖的实验结果：1）实验发现热对流中的主体内（bulk）存在稳定的温度梯度层，揭示了固体侧壁对气体热对流温度梯度的影响。2）在高Ra数，高Pr数下研究了温度振荡和大尺度环流结构的空间分布。3）大尺度环流定义的Re数在高Ra数下与GL模型预测的结果不一致。这些实验结果是重要的参考标准数据，这些数据已经整理发表了2篇sci论文，给同行们提供宝贵的参考。.其科学意义为：1）稳定温度梯度层的存在可能是Nu数与Ra数不满足1/3标度率的其中一个原因，这种结构意味着在现有的实验室热对流测量区间下，RB热对流里还没有达到均匀各向同性的湍流。2）在较高Ra数下，Re数与理论模型的预测不一致，暗示了其他流动结构或者流动行为存在。