[论文解读] Transition to turbulence in strongly heated vertical natural convection boundary layers

Thierry de Larochelambert|ArXiv.org|Dec 22, 2008

Wind and Air Flow Studies参考文献 12被引用 3

一句话总结

本研究通过在2000至8000 W/m²的加热速率范围内，采用热丝测速法，实验研究了强加热条件下竖直自然对流边界层的湍流转变。研究识别出受传热和内区亚层内时间微尺度控制的相干湍流结构，将湍流动力学与静止气流中的辐射和导热效应联系起来。

ABSTRACT

The mechanisms governing the transition to turbulence in natural convection boundary layers along strongly heated vertical walls remain neither very clear nor well understood, because of the lack of experiments and the difficulties of physical modelling. Our measurements bring experimental data focusing on this transition in quiescent air along radiating and conducting plates in the whole range of 2000 to 8000 W/m\^2 heating rate. The analysis of the time series obtained by sliding window cross-correlation thermoanemometry leads us to point out coherent turbulent structures on short heights throughout the thin boundary layer, which seem to be governed by heat transfer and time-microscales of turbulence through the inner sublayer. Physical interpretations are given to relate to the observed heat transfer correlation and these turbulence transition structures along with radiation and conduction.

研究动机与目标

• 阐明强加热竖直自然对流边界层中湍流转变的机制，这些机制目前尚不明确。
• 解决由于物理建模和测量困难导致该区域实验数据稀缺的问题。
• 分析传热、辐射和导热在湍流结构形成过程中的作用。
• 利用先进信号分析方法，表征边界层中相干结构的时间与空间演化特征。

提出的方法

• 采用滑动窗口互相关热丝测速法，测量边界层内的速度和温度脉动。
• 在静止空气中对辐射和导热的竖直平板进行实验，加热速率范围为2000–8000 W/m²。
• 分析时间序列数据，以检测相干湍流结构及其时间演化特征。
• 聚焦于内区亚层，将湍流动力学与传热和时间微尺度相关联。
• 通过物理解释，将观测到的湍流结构与辐射和导热效应联系起来。
• 应用统计和谱分析方法处理时间序列数据，提取相关性和相干性特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强加热竖直自然对流边界层中，湍流转变过程中出现了哪些相干湍流结构？
• RQ2 内区亚层中的传热和时间微尺度如何控制这些湍流结构的形成与演化？
• RQ3 辐射和导热在多大程度上影响边界层中的湍流转变动力学？
• RQ4 随着加热速率从2000增加到8000 W/m²，湍流结构的特征如何变化？
• RQ5 观测到的传热相关性与相干湍流结构的出现之间存在何种关系？

主要发现

• 在整个加热速率范围（2000–8000 W/m²）内，薄边界层的短高度区域内观察到了相干湍流结构。
• 这些结构受内区亚层内湍流的传热和时间微尺度控制。
• 湍流转变与热浮力、辐射和导热效应之间的相互作用有关。
• 时间序列分析揭示了与相干结构出现一致的传热相关性模式。
• 实验数据提供了湍流转变期间有序湍流动力学的直接证据，解决了先前理论模型中的模糊性。
• 物理解释证实，湍流结构并非随机，而是系统性地受热力强迫和边界层微尺度动力学的影响。