為了研究超高瑞利數湍流熱對流現象，本書提出以高速旋轉產生的極強離心力代替重力來驅動熱對流，以此搭建旋轉超重力熱湍流實驗平臺，研究了旋轉超重力熱湍流系統的傳熱與流動特性，并在實驗中實現了對湍流**區間和緯向流的直接測量。同時，利用費曼棘齒結構打破了熱對流系統的對稱性，發現系統存在兩種差異巨大的流動狀態且對應不同的傳熱效率，揭示了相應的物理機理并提出了利用棘齒的流動傳熱主動控制方法。 本書可供能源動力、航空航天、石油化工、天體物理等相關領域學者參考。
本書成書之時恰逢歐洲能源危機、國內電力緊張之際，能源作為現代社會的基石，深刻影響著人類社會的生產、生活。本書圍繞能源電力、動力裝備、航空航天等工程科學，以及天體物理等自然現象過程中的熱流科學問題展開，發現了新的現象并揭示了其物理機制，體現出研究工作的重要價值。非常感謝清華大學和清華大學出版社的支持，使作者的博士學位論文能夠入選清華大學優秀博士學位論文叢書項目。本人也非常榮幸為本書作序，為相關讀者推薦本書。
節能減排、綠色發展在現代社會發展中扮演著越來越重要的角色。統計資料表明，我國在工業、電力、交通、農業和民用等方面，總的能源利用率約為30%，在全球處于較落后的位置。在能源消耗中，熱損耗占有相當大的比重，研究傳熱過程的重要性不言而喻。熱對流作為傳熱的主要形式之一，具有強非線性的復雜特點，且大型建筑、熱流機械中的控制參數、瑞利數，遠超目前實驗或數值模擬的參數范圍，對超高瑞利數下熱湍流的研究受到越來越多的關注。
本書作者提出了利用高速旋轉產生的巨大離心力代替重力來提高瑞利數的新方法，搭建了高達百倍等效重力加速度的旋轉超重力熱湍流實驗平臺，結合實驗和數值模擬對超重力驅動熱湍流展開了深入研究。依靠該實驗平臺，在接近兩個數量級的瑞利數區間內實現了熱湍流對終極區間標度律的直接實驗測量，并得到對數區速度型、剪切雷諾數、溫度脈動等數據的印證。同時，研究了旋轉效應帶來的科里奧利力等因素的影響，發現科里奧利力會抑制流體沿著旋轉軸方向的流動，使得流場準二維化。此外，觀察到了對流渦的大尺度周向運動。這些發現對相關學科理論的發展，以及理解旋轉天體中的流動現象和優化熱力機械中的熱設計具有重要意義。
隨著瑞利數的增大，熱對流系統的邊界層會逐漸變薄，壁面粗糙結構的影響顯現，研究壁面結構對熱湍流傳熱效率和湍流結構演化的影響具有重要的科學和工程意義。本書將非對稱的費曼棘齒粗糙壁面結構的概念引入湍流熱對流研究領域，發現湍流熱對流系統的對稱性被非對稱的棘齒壁面結構打破。由于棘齒結構的存在，熱湍流系統存在兩種差異巨大的流動狀態且對應不同的傳熱效率，揭示了湍流熱對流系統和垂直熱對流系統不同的傳熱機理。在此基礎上，發現傾斜湍流熱對流系統中，控制棘齒結構的排列方向可以有效調控系統的傳熱效率，為工業生產中流動傳熱主動控制技術提供了新的思路。
在我國碳達峰，碳中和的戰略背景下，提高能源利用效率和降低能量損耗是重點研究方向之一。本書的研究成果，不僅有助于為熱流機械、換熱器、建筑通風等工業設計提供技術和理論支撐，同時也將增強學界對宇宙自然中熱湍流現象的理解和認識，為熱湍流的研究打開一扇新的大門。
孫超
2022年12月1日于北京
蔣河川，2021年獲得清華大學工學博士學位，師從孫超教授，研究方向為超重力熱湍流、復雜邊界流動，曾于2019年前往美國哈佛大學進行學術交流訪問，累計在Science Advances， Physical Review Letters等國際頂級雜志上發表五篇學術論文。曾擔任清華大學本科輔導員，曾獲得清華大學優秀博士畢業生、清華大學優秀博士學位論文、國家獎學金、清華大學一二·九輔導員獎、清華大學優秀學生干部等獎勵。現就職于中國華能集團，從事清潔能源技術開發工作。
第1章 引言 1
1.1 研究背景和意義 1
1.2 研究現狀 3
1.2.1 瑞利-伯納德對流 3
1.2.2 湍流傳熱與湍流終極區間 5
1.2.3 邊界層、羽流和大尺度環流動力學特性 9
1.2.4 旋轉效應對熱對流的影響 11
1.2.5 壁面粗糙結構對熱對流的影響 15
1.3 研究目的與內容 17
1.4 本書結構 19
第2章 實驗和數值方法 21
2.1 旋轉超重力熱湍流實驗平臺 21
2.1.1 圓環對流槽系統 21
2.1.2 測量系統 24
2.1.3 漏熱補償和安全保護系統 29
2.1.4 機電控制系統 30
2.2 粗糙表面湍流熱對流實驗平臺 32
2.2.1 粗糙表面對流槽結構 32
2.2.2 陰影法流動可視化技術 34
2.3 數值方法 35
2.3.1 旋轉超重力熱湍流模擬 35
2.3.2 粗糙表面湍流熱對流系統模擬 41
第3章 旋轉效應對超重力熱湍流系統的影響 45
3.1 研究目的 45
3.2 離心力隨半徑變化對超重力熱湍流系統的影響 46
3.2.1 離心力隨半徑變化對系統傳熱特性的影響 47
3.2.2 離心力隨半徑變化對系統流動特性的影響 48
3.3 科里奧利力對超重力熱湍流系統的影響 49
3.3.1 科里奧利力對系統傳熱特性的影響 50
3.3.2 科里奧利力對系統流動特性的影響 51
3.4 緯向流 55
3.4.1 緯向流在實驗中的發現與條紋圖法流動顯示 55
3.4.2 產生緯向流的物理原因 58
第4章 高瑞利數下的湍流傳熱與湍流終極區間 62
4.1 研究目的 62
4.2 實驗過程 63
4.3 階段一：方案驗證與標度律轉變初探 67
4.3.1 旋轉超重力系統的傳熱特性 68
4.3.2 標度律轉變的兩種可能解釋 70
4.4 階段二：探索湍流終極區間 71
4.4.1 湍流終極區間下的傳熱特性 71
4.4.2 達到湍流終極區間的證據與湍流終極區間下的流動特性 74
第5章 非對稱費曼棘齒結構對瑞利-伯納德對流系統的影響 78
5.1 研究目的 78
5.2 大尺度環流動力學特性 81
5.2.1 實驗中大尺度環流方向的判定 82
5.2.2 大尺度環流擇向統計特性的對稱破缺 82
5.3 傳熱特性 84
5.3.1 傳熱測量和數值模擬過程 84
5.3.2 大尺度環流方向對傳熱效率的影響 87
5.4 流動結構 89
5.5 羽流定量統計特性 92
5.5.1 羽流識別 92
5.5.2 羽流面積直方圖 93
第6章 非對稱費曼棘齒結構對垂直對流系統的影響 95
6.1 研究目的 95
6.2 傳熱特性 97
6.2.1 實驗測量和數值模擬過程 97
6.2.2 棘齒排列方向對傳熱效率的影響 100
6.3 大尺度環流的動力學特性 103
6.4 溫度剖面特性 106
6.4.1 局部平均溫度剖面 106
6.4.2 局部傳熱效率 108
6.5 垂直對流系統和瑞利-伯納德對流系統的對比 110
第7章 非對稱費曼棘齒結構對傾斜對流的影響 113
7.1 研究目的 113
7.2 傳熱特性隨傾斜角的變化 115
7.3 流動特性隨傾斜角的變化 118
7.4 局部統計特性對比 120
第8章 總結與展望 124
8.1 全書總結 124
8.2 研究創新點 127
8.3 未來展望 127
參考文獻 129
在學期間發表的學術論文與獲獎情況 144
致謝 146
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