韓 標(biāo)，牛洪濤

（清華大學(xué)航天航空學(xué)院，北京 100084）

豎直平板間湍流自然對(duì)流中螺旋羽流結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究

韓 標(biāo)，牛洪濤

（清華大學(xué)航天航空學(xué)院，北京 100084）

應(yīng)用粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）對(duì)豎直平板間水的溫差湍流自然對(duì)流的流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，并由測(cè)量所獲得的速度場(chǎng)獲取了渦量分布和散度分布。測(cè)量結(jié)果表明，在流場(chǎng)中的豎直展向截面和水平流向截面上都存在大尺度渦流結(jié)構(gòu)，而且在部分渦量集中區(qū)域同時(shí)具有正的或者負(fù)的散度集中，速度矢量分布也表明水平截面上的這部分渦流結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)著清晰的源或匯的特征。這些現(xiàn)象都表明這部分旋轉(zhuǎn)著的流體不但有切向速度，還有徑向速度。這意味著這部分流體在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)也有向上或向下的運(yùn)動(dòng)，即同時(shí)具有在同方向上的渦量和速度，即螺度，而這是螺旋羽流結(jié)構(gòu)的特征。這些渦結(jié)構(gòu)，尤其是水平流向截面上具有徑向速度的渦流結(jié)構(gòu)的存在證實(shí)了豎直平板之間的湍流自然對(duì)流流場(chǎng)中大尺度的螺旋羽流結(jié)構(gòu)的存在。

自然對(duì)流；相干結(jié)構(gòu)；螺旋羽流結(jié)構(gòu)；PIV；速度場(chǎng)

0 引 言

由溫度梯度驅(qū)動(dòng)的流體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象在自然界中廣泛存在而又十分重要。對(duì)流是海洋、大氣、以及星球內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的重要特征，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中也存在大量與對(duì)流相關(guān)的實(shí)際問(wèn)題，從而使得這種流動(dòng)形式得到了長(zhǎng)期和廣泛的重視和研究。Benard、Rayleigh首先研究了一種兩塊水平放置的平板間的溫差浮力流動(dòng)，后人一般將這種流動(dòng)稱為Rayleigh－Benard流動(dòng)，也稱為第一類自然對(duì)流，相應(yīng)地，將兩塊豎直平板間的溫差流動(dòng)稱為第二類自然對(duì)流［1］。這兩類對(duì)流流動(dòng)的本質(zhì)差別是前者的溫度梯度和重力方向平行，而后者則是溫度梯度和重力方向垂直。

對(duì)第一類自然對(duì)流的研究結(jié)果，在理論、實(shí)驗(yàn)以及計(jì)算上都取得了大量成果。在Rayleigh數(shù)很大時(shí)，湍流場(chǎng)中出現(xiàn)螺旋上升的熱羽流結(jié)構(gòu)［2］（圖1）及成對(duì)的旋轉(zhuǎn)方向相反的大尺度渦旋結(jié)構(gòu)［3］。這種壁面附近不斷產(chǎn)生和消失的熱羽流結(jié)構(gòu)引起了人們普遍的興趣，它與龍卷風(fēng)及沙塵暴等自然現(xiàn)象有密切聯(lián)系，但是其成因尚不十分清楚。Cortese ＆Balachandar［2］認(rèn)為這是由浮力引起的垂向流動(dòng)和大尺度水平環(huán)流產(chǎn)生的剪切力相互作用導(dǎo)致的。Kenjeres［3］等人通過(guò)特大渦模擬和直接數(shù)值模擬定量地顯示了流動(dòng)中的渦旋結(jié)構(gòu)，所繪出的瞬時(shí)流線圖大致反映了這種大尺度結(jié)構(gòu)的性狀。

圖1 第一類自然對(duì)流中的螺旋羽流結(jié)構(gòu)［2］Fig.1 The spiral structures in the first kind natural convection

相對(duì)于第一類自然對(duì)流而言，人們對(duì)第二類自然對(duì)流的研究則相對(duì)較少。Boudjemadi［4］、Philips［5］和Versteegh等人［6］分別對(duì)兩塊無(wú)限大有溫差平板間的流場(chǎng)進(jìn)行直接數(shù)值模擬，但這些研究只得到流場(chǎng)的一些統(tǒng)計(jì)平均性質(zhì)，而沒(méi)有詳細(xì)研究流動(dòng)結(jié)構(gòu)。Betts＆Bokhari［7］給出了空腔中空氣在產(chǎn)生這類自然對(duì)流時(shí)的溫度和速度場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但只是為各種湍流模式提供一組可供比較和可作為標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。Wang Minghao等［8］通過(guò)直接數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)在這種流動(dòng)狀態(tài)中存在著類似于第一類自然對(duì)流的螺旋羽流結(jié)構(gòu)（圖2），但是有關(guān)直接數(shù)值模擬的結(jié)果沒(méi)有得到實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。本實(shí)驗(yàn)研究的目的是應(yīng)用粒子圖像測(cè)速技術(shù)測(cè)量第二類自然對(duì)流流場(chǎng)中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，從而獲取關(guān)于第二類自然對(duì)流流動(dòng)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。

在兩豎直平板間自然對(duì)流的研究中，主要的控制參數(shù)為Ra數(shù)。Ra＝αgD3ΔT／υκ，這里，α是介質(zhì)的熱膨脹系數(shù)，g是重力加速度，D是兩板間距，ΔT是指兩板間的溫度差，υ是流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，κ是流體的熱擴(kuò)散系數(shù)。在流體介質(zhì)確定以后可以通過(guò)改變兩板之間的距離D和溫度差來(lái)調(diào)節(jié)Ra數(shù)。另一參數(shù)Pr＝υ／κ，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中它是影響兩板間流動(dòng)是否達(dá)到湍流狀態(tài)的一個(gè)因素。為了便于使用粒子圖像測(cè)速技術(shù)進(jìn)行研究，采用了純凈水作為研究介質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水的溫度大約處于15℃～55℃之間，Pr數(shù)在8.02～3.23之間，根據(jù)Douglas［9］的研究，當(dāng)Pr在8.02至3.23之間時(shí)，流動(dòng)從層流到湍流的臨界Ra數(shù)約為0.25×105～0.6×105。本實(shí)驗(yàn)研究中Ra數(shù)為1.44×105～5.76×105，明顯超過(guò)了層流轉(zhuǎn)捩為湍流的臨界Ra數(shù)，所以本研究的流場(chǎng)為湍流流場(chǎng)。

圖2 第二類自然對(duì)流中的螺旋羽流結(jié)構(gòu)［8］Fig.2 The spiral structures in the second kind natural convection

1 實(shí)驗(yàn)描述

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

圖3 兩豎直平板之間自然對(duì)流研究實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.3 Experiment set－up of the natural convection between two vertical plates

建立溫差可精確控制的豎直平板間湍流自然對(duì)流的流場(chǎng)是進(jìn)行本研究的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3所示。用導(dǎo)熱性能優(yōu)良的鋁材制成120mm×120mm×10mm的兩塊平板，其中熱板的背面用電熱膜覆蓋并均勻加熱，冷板背面與一個(gè)冷卻水箱連接，用自來(lái)水進(jìn)行冷卻以保持冷板的溫度基本保持恒定。在熱、冷兩塊平板之間用透光性能很好的特種有機(jī)玻璃板連接，形成一個(gè)方腔。改變這些有機(jī)玻璃板的寬度，那么兩塊平板之間的距離D就可以得到調(diào)整。方腔中用純凈水作為介質(zhì)。在冷熱兩塊鋁板中嵌入熱電阻溫度傳感器，以測(cè)量并監(jiān)控兩塊平板之間的溫度差。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)以保持冷熱兩塊平板本身的溫度分布均勻。

1.2 溫差控制

溫差控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖4所示。采用鉑電阻溫度傳感器測(cè)量?jī)蓧K平板的溫度，以冷板的測(cè)量溫度為參考溫度，設(shè)定兩板之間的溫度差，采用智能專家PID控制方法，通過(guò)固態(tài)繼電器對(duì)熱板背面的電熱膜進(jìn)行控制，從而調(diào)節(jié)、控制熱板的溫度，實(shí)現(xiàn)精確控制兩板之間的溫度差。本控制系統(tǒng)的溫度測(cè)量和溫差控制都可以達(dá)到0.1℃的精度。

圖4 溫差控制系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the temperature difference control system

1.3 實(shí)驗(yàn)方法及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用北京提賽流動(dòng)測(cè)量研究中心提供的、TSI公司出品的粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)（PIV）進(jìn)行測(cè)量和研究。由于連接兩塊鋁板構(gòu)成方腔的都是透光性能很好的特種有機(jī)玻璃，有利于激光片光通過(guò)和照相。如果流場(chǎng)中存在類似于圖1或圖2所示的螺旋羽流結(jié)構(gòu)，則其在水平截面或者豎直截面上必然可以捕捉到渦結(jié)構(gòu)的存在。如果在水平截面或者豎直截面上不但存在渦結(jié)構(gòu)，而且這些結(jié)構(gòu)還呈現(xiàn)出源或匯的特征，則可以根據(jù)流體的連續(xù)性原理推斷這部分流體不但具有集中渦量，而且在渦量的方向上還存在速度分量。在同一個(gè)方向上同時(shí)存在渦量和速度矢量，則表明該流體具有螺度，即存在螺旋羽流結(jié)構(gòu)。為捕獲水平截面和豎直截面上流動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)所用的粒子圖像測(cè)速儀采用了典型的雙脈沖YAG激光器光路（激光器型號(hào)為Y120－15E，脈沖能量為120mJ）。激光脈沖控制同步器（型號(hào)為610034）控制兩臺(tái)激光器在很短的時(shí)間間隔內(nèi)分別發(fā)射一次脈沖激光，激光束經(jīng)過(guò)由透鏡組組成的光臂（光臂型號(hào)為610015，柱面鏡型號(hào)為61008x，球面鏡型號(hào)為61006x）形成片光源。當(dāng)片光源照亮測(cè)量區(qū)時(shí)，由同步器觸發(fā)高分辨率、高幀速攝像機(jī)（型號(hào)為630047PIV CAM 13－8CCD）捕捉連續(xù)兩幀的粒子圖像，并啟動(dòng)計(jì)算機(jī)內(nèi)的圖像采集卡將攝像機(jī)內(nèi)的圖像信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)內(nèi)，圖像大小為1280pixel×1024pixel。為獲取圖像上每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的實(shí)際尺寸，在每次調(diào)整攝像機(jī)焦距時(shí)，由攝像機(jī)記錄放置在測(cè)量區(qū)平面內(nèi)的標(biāo)尺進(jìn)行標(biāo)定。獲取圖5（a）所示的水平流動(dòng)截面圖像時(shí)，采用60mm相機(jī)鏡頭，獲取圖5（b）所示的豎直截面圖像是采用28mm相機(jī)鏡頭。得到粒子圖像以后，采用PIVTEC GmbH公司的處理軟件PIVview2C進(jìn)行圖像處理，獲得片光平面的速度分布數(shù)據(jù)。在圖像處理時(shí)，采用32pixel×32pixel的診斷區(qū)。為了提高數(shù)據(jù)率，采用了50%的重疊率，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中采用了3重相關(guān)、3重判讀、3點(diǎn)高斯峰值檢測(cè)等算法。獲取到平面速度場(chǎng)以后，應(yīng)用Tecplot軟件分別計(jì)算獲取渦量場(chǎng)和散度場(chǎng)。

圖5 利用PIV進(jìn)行第二類自然對(duì)流流場(chǎng)測(cè)量的兩種系統(tǒng)布置Fig.5 The system layout of measurement using PIV

粒子的跟隨性問(wèn)題是應(yīng)用PIV技術(shù)進(jìn)行自然對(duì)流研究要解決的另一重要問(wèn)題。本研究采用了一種聚乙烯復(fù)合材料粒子，將這些粒子浸泡在水中數(shù)小時(shí)之后，把浮在表面的粒子和沉入底部的粒子都去掉，只留下仍然懸浮在介質(zhì)中的粒子，基本上保證粒子具有良好的跟隨性。另外一個(gè)問(wèn)題是平板邊界對(duì)激光片光的反射會(huì)導(dǎo)致圖像有很多噪點(diǎn)，研究中將鋁板進(jìn)行了煮黑處理，解決了這個(gè)問(wèn)題。

在本研究中，在如圖5所示不同位置進(jìn)行測(cè)量時(shí)圖像和實(shí)際尺寸的比例是不同的。在5（a）所示情況的各個(gè)測(cè)量位置，由于圖像放大率較高，所以分辨度也較高，而圖5（b）是從側(cè)面測(cè)量整體流場(chǎng)，圖像放大率和分辨度也低于圖5（a）的情況。在如圖5（a）所示的情況，測(cè)量截面最低的位置分辨度最低，其圖像和實(shí)際尺寸的比例為36pixel／mm，結(jié)合圖像處理診斷區(qū)的選取，此時(shí)速度場(chǎng)分辨度為0.43mm。同樣可以測(cè)算出圖5（b）所示情況的速度場(chǎng)分辨度為0.71mm。另外片光以及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奈恢玫染捎脙x表進(jìn)行定位。由于流場(chǎng)本身不大，基本都處于片光的焦點(diǎn)處，所有由于片光厚度帶來(lái)的誤差可以忽略不計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

取兩塊平板之間的距離為10mm，控制兩板之間溫差為10℃～40℃，分別測(cè)量?jī)善桨逯g下部、中部和上部水平截面上的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)（圖5（a）），也可以對(duì)流場(chǎng)中部的豎直截面上的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)（圖5（b））進(jìn)行測(cè)量。由于CCD位置不同，各種工況時(shí)流場(chǎng)的放大倍數(shù)也不一致。所獲得的圖像以兩平板間的距離為基準(zhǔn)，即圖像以兩平板之間區(qū)域的中點(diǎn)為中心，圖像的高度始終與兩平板間距一致，圖像的寬度則以當(dāng)前情況下CCD所能夠攝取的范圍為基準(zhǔn)。一般來(lái)說(shuō)，圖像所反應(yīng)的區(qū)域并沒(méi)有包含兩平板之間的全部區(qū)域，而只是兩平板之間區(qū)域的中心部分。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩板之間溫差為10℃時(shí)即有清晰的、明顯呈現(xiàn)源或匯性狀的渦旋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。

2.1 水平截面上的流動(dòng)結(jié)構(gòu)

圖6（a）是用PIV方法獲取的兩平板之間溫差為10℃、距平板底端33mm處水平截面的流動(dòng)結(jié)構(gòu)圖。圖中色彩顯示渦量的分布，從圖中可以清晰地看到一系列大大小小的集中渦量。矢量為該水平截面上的速度分布。在圖中標(biāo)出了1～5個(gè)集中渦量分布區(qū)域，在這5處區(qū)域，速度分布呈現(xiàn)明顯的源或匯的特征。圖6（b）與6（a）顯示的是同一個(gè)流場(chǎng)，只不過(guò)圖中色彩顯示的是流場(chǎng)的散度分布。對(duì)照?qǐng)D6（a）中所示的5個(gè)集中渦量區(qū)域，在圖6（b）中這5處區(qū)域同樣也是散度集中區(qū)域，相應(yīng)地具有正或負(fù)的散度分布。圖6（c）、（d）分別是圖6（a）中渦量集中點(diǎn)2和3處的放大。圖6（c）中流體運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)清晰的離心的特征，即源的特征，而圖6（d）中流體運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)清晰的向心的特征，即匯的特征。根據(jù)流體的連續(xù)性原理，在渦核心處，流體必然具有向上或者向下的速度分量。即，流體在該處既有集中渦量，同時(shí)也在渦量的方向上具有速度分量，即具有相對(duì)集中螺度分布。

圖7（a）是用PIV方法獲取的兩平板之間溫差為10℃、距平板底端55mm處水平截面的流動(dòng)結(jié)構(gòu)圖。同樣從圖中可以清晰地看到一系列大大小小的集中渦量和速度分布呈現(xiàn)源或者匯特征的區(qū)域。圖7（b）所示是與7（a）相同流場(chǎng)中的速度場(chǎng)和散度場(chǎng)。對(duì)照7（a）圖中所示的2處集中渦量區(qū)域，7（b）中這2處區(qū)域同樣也是散度集中區(qū)域，相應(yīng)地具有正或者負(fù)的散度分布。圖7（c）、（d）為圖7（a）中集中渦量分布1和2處的局部放大。圖7（c）中流動(dòng)呈現(xiàn)清晰的源的特征，而圖7（d）中流動(dòng)則呈現(xiàn)清晰的匯的特征。

圖6 兩平板溫差10℃、距底面33mm處的水平截面上的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Flow structure in horizontal cross section with height 33mm and temperature difference 10℃

圖8（a）是用PIV方法獲取的兩平板之間溫差為10℃、距平板底端76mm處水平截面的流動(dòng)結(jié)構(gòu)圖。同樣從圖中可以清晰地看到一系列大大小小的集中渦量和速度分布呈現(xiàn)源或者匯特征的區(qū)域。圖8（b）所示是與8（a）相同流場(chǎng)中的速度場(chǎng)和散度場(chǎng)。對(duì)照8（a）圖中所示的4處集中渦量區(qū)域，8（b）中這4處區(qū)域同樣也是散度集中區(qū)域，具有正或者負(fù)的散度分布。圖8（c）、（d）為圖8（a）中集中渦量分布1和4處的局部放大。圖8（c）中流動(dòng)出呈現(xiàn)清晰的源的特征，而圖8（d）中流動(dòng)則呈現(xiàn)清晰的匯的特征。

圖7 兩平板溫差10℃、距底面55mm處的水平截面上的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)Fig.7 Flow structure in horizontal cross section with height 55mm and temperature difference 10℃

2.2 豎直截面上的流動(dòng)結(jié)構(gòu)

圖9是兩平板之間溫差為10℃時(shí)流場(chǎng)中心處豎直截面內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)（參照?qǐng)D5（b））。左邊的平板為熱板，右邊的平板為冷板。流體在左邊的平板附近被加熱、上升，在右邊的平板附近被冷卻并下降，在整個(gè)豎直截面內(nèi)形成一個(gè)大的循環(huán)結(jié)構(gòu)。在靠近平板的兩側(cè)，可以發(fā)現(xiàn)有許多集中渦量的存在。而在該截面中部，可以發(fā)現(xiàn)有一串渦依次排列著，這些渦的方向與整體外圍的大循環(huán)結(jié)構(gòu)的方向一致。但是在圖中集中渦存在的地方并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的源或匯的特征。圖10是Rayleigh－Benard對(duì)流即第一類自然對(duì)流兩平板之間側(cè)面流動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖［10］，圖中顯示著一串渦列并排排列著而渦的旋轉(zhuǎn)方向相對(duì)。這說(shuō)明，從這一角度而言，第二類自然對(duì)流同第一類自然對(duì)流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)既有相似之處，又各有不同點(diǎn)。

圖8 兩平板溫差10℃、距底面76mm處的水平截面上的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)Fig.8 Flow structure in horizontal cross section with height 76mm and temperature difference 10℃

圖9 豎直截面上流動(dòng)的結(jié)構(gòu)Fig.9 The flow structure in the vertical cross section

圖10 Rayleigh－Benard對(duì)流的側(cè)面流場(chǎng)示意圖Fig.10 A schematic illustration of Rayleigh－Benard convection

從上述圖6～9中也可以發(fā)現(xiàn)，大部分集中渦量主要分布在靠近兩平板側(cè)的截面邊緣，這說(shuō)明這些螺旋羽流結(jié)構(gòu)很可能起源于冷熱兩塊平板附近并隨著水流的向上運(yùn)動(dòng)或向下運(yùn)動(dòng)而向上或者向下發(fā)展。

2.3 討論

在第一類自然對(duì)流即Rayleigh－Benard流動(dòng)中，Cortese［2］等人發(fā)現(xiàn)螺旋羽流結(jié)構(gòu)只在Ra＞4×107的“硬湍流”中才會(huì)出現(xiàn)，其機(jī)理為浮力引起的垂向流動(dòng)和大尺度水平環(huán)流產(chǎn)生的剪切力的相互作用。而王明浩［1，8］等通過(guò)直接數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在第二類自然對(duì)流情況下，平板的垂向流動(dòng)和大尺度展向環(huán)流的相互作用十分普遍，螺旋羽流結(jié)構(gòu)在較低的Ra數(shù)（如5.4×105）時(shí)也頻繁出現(xiàn)。王明浩等分析認(rèn)為，瞬時(shí)展向溫度梯度使得法向存在渦運(yùn)動(dòng)，法向渦被法向速度拉伸，從而形成螺旋羽流結(jié)構(gòu)。本研究通過(guò)PIV測(cè)量證實(shí)，在第二類自然對(duì)流情況下，在更低的Ra數(shù)（即1.44×105）時(shí)，流場(chǎng)中也頻繁出現(xiàn)螺旋羽流結(jié)構(gòu)。由于剪切作用，流場(chǎng)中形成渦旋，渦旋結(jié)構(gòu)在渦量方向上受浮力作用引起的垂向流動(dòng)拉伸，從而形成螺旋羽流結(jié)構(gòu)；也可能由于剪切的作用，形成了眾多的渦旋結(jié)構(gòu)，其中有一些渦環(huán)相互連接，出現(xiàn)了文獻(xiàn)［11］所提到的情況，從而產(chǎn)生螺旋羽流結(jié)構(gòu)。至于確切的機(jī)制以及具體細(xì)節(jié)，還有待于進(jìn)一步研究。

3 結(jié) 論

應(yīng)用粒子圖像測(cè)速技術(shù)對(duì)豎直平板間湍流自然對(duì)流流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，獲取了水平截面和豎直截面上的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)對(duì)測(cè)量截面速度場(chǎng)數(shù)據(jù)的處理獲得了渦量分布和散度分布。測(cè)量和研究結(jié)果表明，在流場(chǎng)中的豎直展向截面和水平流向截面上都上存在大尺度的渦流結(jié)構(gòu)，而且水平截面上部分渦量集中區(qū)域同時(shí)也是散度集中區(qū)域，速度場(chǎng)速度矢量分布也表明這部分渦流結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出清晰的源或匯的特征。這意味著這部分流體同時(shí)具有在同方向上的渦量和速度，即螺度，而這是螺旋羽流結(jié)構(gòu)的特征。這是首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式證實(shí)了豎直平板間湍流自然對(duì)流流場(chǎng)中大尺度螺旋羽流結(jié)構(gòu)的存在。

分析表明，由于剪切作用，流場(chǎng)中形成多處渦旋，渦旋結(jié)構(gòu)在渦量方向上受浮力作用引起的垂向流動(dòng)拉伸，從而形成螺旋羽流結(jié)構(gòu)?；蛘弑姸嗟臏u旋結(jié)構(gòu)相互連接，從而產(chǎn)生螺旋羽流結(jié)構(gòu)。

［1］王明皓，符松，章光華.豎直平板間湍流自然對(duì)流的中的螺旋羽流結(jié)構(gòu)［J］.科學(xué)通報(bào)，2002，47（3）：173－177.

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韓 標(biāo)（1969－），男，江蘇射陽(yáng)人，副教授。研究方向：實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)。通訊地址：北京市海淀區(qū)清華大學(xué)保衛(wèi)處（100084）。E－mail：hanbiao＠m(xù)ail.tsinghua.edu.cn

Experimental study on large－scale spiral structures in turbulent natural convection between two vertical plates by PIV

HAN Biao，NIU Hong－tao
（School of Aerospace，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

In this paper，the spatial structures of the velocity fields of water flow between two differentially heated vertical plates were measured by using particle image velocimetry technique，with the Rayleigh number varying from 1.44×105to 5.76×105.The vorticity fields and divergence fields were calculated from the velocity field.The measurement results indicate that large scale vortical structures exist both in horizontal and vertical directions.Both vorticity and divergence were found concentrated at some regions in measured horizontal planes，where the velocity vector fields display evident rotation and source or sink patterns.These mean that the fluid rotates and up－moves or down－moves at the same time，and indicate that the co－existence of vertical vorticity and vertical velocity，i.e.the existence of helicity，and then confirm the existence of spiral structures.

natural convection；coherent structure；large－scale spiral structures；PIV；velocity field

V211.7

A

1672－9897（2011）06－0013－06

2010－11－01；

2011－07－17

國(guó)家自然科學(xué)基金（10202011）