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項目名稱： 湍流熱對流的實驗研究
推薦單位： 專家推薦
項目簡介： 本項目是流體力學領域中一個重要問題的綜合實驗研究。在過去十幾年中項目完成人結合一系列實驗方法對湍流熱對流系統進行了系統全面地深入探索。主要內容和科學價值如下：
1) 在比目前所有實驗大兩個數量級的普朗特數范圍內，精確地測量了熱傳輸效率和普朗特數的依賴關系，此關系否定了一個重要理論預測。該結果現已被公認為此領域中的一個基準數據。通過在實驗上調制流動模式的分離以及切換，揭示了不同流動模式可以產生不同傳熱效率。從而解釋了整體熱傳輸效率二元化的機理。
2) 有別于一般的湍流，熱對流有兩種類型的邊界層：溫度邊界層和速度邊界層并且它們是相互耦合的。本項目發展了一套可以用來測量耦合邊界層內速度場的方法，并利用該方法精確地測量了速度邊界層厚度對一系列參數的依賴關系。設計了一套溫度測量方法，精確地測量了溫度邊界層的空間結構。上述測量結果是理論和模擬兩個方面的重要參考數據之一。
3) 系統地全面地研究湍流熱對流中大尺度環流起源以及發展，給出了大尺度環流生成機制。首次研究熱羽流的幾何特性。成功地獲得大尺度環流的空間速度場分布，并解釋了驅動大尺度環流的動力學機制。給出了"熱羽流觸發"模型的最直接的實驗驗證。
SCI統計：截止到2008年2月20日，完成人已發表及接收72篇論文其中SCI論文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篇代表性論文被SCI引用225次，其中SCI他引135次。完成人先后30余次被邀請做國內國際會議報告。他獲得香港裘槎基金會杰出科研者獎 (2005－2006)。完成人由此項目培養的博士生中有一人現為中科院百人計劃，一人現為香港中文大學物理系研究助理教授，一人獲得香港青年科學家獎。
主要發現點： 本項目是對湍流熱對流問題的系統全面的實驗研究，發現了一系列新的規律，主要發現點如下：
1) 在超出當時所有實驗兩個數量級的普朗特數(Pr)范圍內精確地測量了熱傳輸效率Nu與Pr數的依賴關系，發現在大Pr數下Nu隨Pr增加而減小。此結果否定了著名的Kraichnan模型的一個重要預測。而測量到的Nu和Pr的依賴關系成為當時新模型（GL模型）的首次獨立驗證�！敬碚撐�1】
2) 發展了一套耦合邊界層內速度的測量方法，利用該方法首次成功地測量了側壁和導板的速度邊界層厚度，發現側壁速度邊界層厚度和瑞利數之間滿足經典邊界層標度律，而導板的速度邊界層厚度和瑞利數之間則遵循一個新的標度律行為，此結果不支持當時一個重要理論模型（SS模型）的預測。【代表論文2，3】
3) 在超出當時所有實驗兩個數量級的普朗特數范圍內精確地直接測量了速度邊界層厚度以及系統的雷諾數，給出了邊界層厚度及雷諾數分別與普朗特數和瑞利數之間的依賴關系�！敬碚撐�4】
4) 首次觀測到系統如何從層流熱羽流自組織而形成大尺度環流的起始過程，從而確定了大尺度環流的產生機制。【代表論文5】
5) 在三個數量級的瑞利數范圍內全面地測量了大尺度流動的二維速度場以及系統的高階統計量（速度脈動、時均動能、湍動能、雷諾應力以及能量產生項）。實驗結果表明大尺度環流的驅動機理是浮力差而非雷諾應力。同時發現了具有不同轉動頻率的內核與外殼結構，而它們的轉動頻率與瑞利數遵循不同的標度律。【代表論文6】
6） 通過在實驗上調制流動模式的分離以及切換，首次在實驗上直接驗證了不同流動模式可以產生不同傳熱效率。解釋了整體熱傳輸效率二元化的機理。【代表論文7】
7) 發現系統中所有的低頻振蕩都來源于上下導板熱羽流的交替觸發，而該觸發通過流體元的相互作用可以傳遞到系統的每一個角落。給出了"熱羽流觸發"模型的直接實驗驗證�！敬碚撐�8】
8) 通過抑制大尺度環流，發現系統熱傳輸效率遵從和"硬湍流"狀態下相同的標度律。但是系統中心溫度信號的脈動不再遵循指數分布。此發現改變了當時普遍認為溫度脈動指數分布是與"硬湍流"共生的信念。 【代表論文9】
9) 首次對溫度邊界層的空間結構進行了系統全面的測量。發現溫度邊界層厚度與瑞利數之間的標度律對空間位置有系統的依賴關系，并給出標度律指數與空間位置之間的定量公式。同時發現當瑞利數足夠大時，溫度邊界層的厚度趨向空間均勻�！敬碚撐�10】
主要完成人： 夏克青
作為項目負責人，提出項目，構思及設計了所有實驗，領導課題組成員完成所有實驗并負責分析及解釋結果，對本項目所有主要發現點均做了決定性的貢獻。是本項目10篇代表性論文以及絕大部分論文的通信作者。本人在此研究項目中的工作量占本人工作量的百分之七十。
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