中文摘要：

对流现象广泛存在于恒星和行星里，以及地球大气、海洋、地核和地幔对流等众多自然现象中，而Rayleigh-Bénard湍流热对流系统则是从这些复杂的自然现象中抽象出来的研究对流问题的流体力学经典模型。湍流热对流中羽流结构在系统传热﹑能量与动量的输运及耗散过程中起着重要作用，但其机理尚未完全弄清。本项目应用粒子图像测速系统(PIV)测量对流槽不同区域内的速度场，通过对比研究充满羽流的浮力控制区域和不含羽流的对流槽中央区域内速度场统计特性的异同，研究羽流结构与湍流速度场之间相互作用的动力学机理；应用热敏液晶流场显示技术（TLC）研究羽流结构的形态演变过程及其几何和热力学性质随对流槽几何形状（即对流槽的宽高比）和湍流度（即Rayleigh数）的变化规律，研究羽流结构在湍流传热过程中所起的作用。本项目的研究有助于深入理解湍流热对流的物理本质和进一步的理论建模，也有利于湍流基本理论问题的探索。

结论摘要：

对流现象广泛存在于恒星和行星里，以及地球大气、海洋、地核和地幔对流等众多自然现象中，而Rayleigh-Benard湍流热对流系统则是从这些复杂的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。在本青年基金的资助下，我们以Rayleigh-Benard湍流热对流系统为研究对象，在过去的3年里开展了实验和数值模拟方面的研究，主要关注热对流系统的4个问题，即边界层、速度场的时空关联函数、小尺度能量级串过程和湍流热输运。在边界层方面，我们原创性地提出了边界层的动态重构法，从而解决了该领域内的一个长期悬而未决的问题，即系统边界层是否满足层流边界层假设；在速度场的时空关联函数方面，我们直接实验证明了湍流速度场的椭圆模型在热对流系统中成立，从而为热对流实验的时空数据转换提供了理论基础；在小尺度能量级串过程方面，我们揭示了羽流等浮力拟序结构对系统速度和温度级串过程的影响，阐明了由羽流结构所引入的各向异性在系统能量输运过程中所起的作用；在湍流热输运方面，我们系统地研究了对流槽的几何形状对热对流的湍流热输运效率的影响。 基于这些工作成果，我们在国际顶级流体力学类学术期刊Journal of Fluid Mechanics上发表论文4篇，在国际知名流体力学类学术期刊Physics of Fluids上发表论文1篇，总共发表论文10篇，其中8篇被SCI收录。此外，我们还受到国内著名力学类综述期刊《力学进展》的邀请，撰写有关湍流热对流方面的综述性论文。我们的工作受到了国内同行的关注，项目负责人应邀在西安交通大学举行的‘中国力学学会学术大会2013’（2013年8月，西安）‘流体力学’分会场上做题为“Boundary Layer Structures in Turbulent Rayleigh-Bénard Convection”的分会场邀请报告；应邀在浙江舟山举行的‘第二十五届全国水动力学研讨会暨第十二届全国水动力学学术会议’（2013年9月，舟山）上做题为“Rayleigh-Bénard湍流热对流系统的边界层结构”的大会邀请报告。本项目共培养研究生5名（3名已毕业），其中硕士生李春梅获得了“上海市优秀硕士毕业生”和“2012年上海市优秀硕士论文”等荣誉称号。