为了研究超高瑞利数湍流热对流现象，本书提出以高速旋转产生的极强离心力代替重力来驱动热对流，以此搭建旋转超重力热湍流实验平台，研究了旋转超重力热湍流系统的传热与流动特性，并在实验中实现了对湍流**区间和纬向流的直接测量。同时，利用费曼棘齿结构打破了热对流系统的对称性，发现系统存在两种差异巨大的流动状态且对应不同的传热效率，揭示了相应的物理机理并提出了利用棘齿的流动传热主动控制方法。 本书可供能源动力、航空航天、石油化工、天体物理等相关领域学者参考。

清华大学优秀博士学位论文丛书。

本书成书之时恰逢欧洲能源危机、国内电力紧张之际，能源作为现代社会的基石，深刻影响着人类社会的生产、生活。本书围绕能源电力、动力装备、航空航天等工程科学，以及天体物理等自然现象过程中的热流科学问题展开，发现了新的现象并揭示了其物理机制，体现出研究工作的重要价值。非常感谢清华大学和清华大学出版社的支持，使作者的博士学位论文能够入选清华大学优秀博士学位论文丛书项目。本人也非常荣幸为本书作序，为相关读者推荐本书。
节能减排、绿色发展在现代社会发展中扮演着越来越重要的角色。统计资料表明，我国在工业、电力、交通、农业和民用等方面，总的能源利用率约为30%，在全球处于较落后的位置。在能源消耗中，热损耗占有相当大的比重，研究传热过程的重要性不言而喻。热对流作为传热的主要形式之一，具有强非线性的复杂特点，且大型建筑、热流机械中的控制参数、瑞利数，远超目前实验或数值模拟的参数范围，对超高瑞利数下热湍流的研究受到越来越多的关注。
本书作者提出了利用高速旋转产生的巨大离心力代替重力来提高瑞利数的新方法，搭建了高达百倍等效重力加速度的旋转超重力热湍流实验平台，结合实验和数值模拟对超重力驱动热湍流展开了深入研究。依靠该实验平台，在接近两个数量级的瑞利数区间内实现了热湍流对终极区间标度律的直接实验测量，并得到对数区速度型、剪切雷诺数、温度脉动等数据的印证。同时，研究了旋转效应带来的科里奥利力等因素的影响，发现科里奥利力会抑制流体沿着旋转轴方向的流动，使得流场准二维化。此外，观察到了对流涡的大尺度周向运动。这些发现对相关学科理论的发展，以及理解旋转天体中的流动现象和优化热力机械中的热设计具有重要意义。
随着瑞利数的增大，热对流系统的边界层会逐渐变薄，壁面粗糙结构的影响显现，研究壁面结构对热湍流传热效率和湍流结构演化的影响具有重要的科学和工程意义。本书将非对称的费曼棘齿粗糙壁面结构的概念引入湍流热对流研究领域，发现湍流热对流系统的对称性被非对称的棘齿壁面结构打破。由于棘齿结构的存在，热湍流系统存在两种差异巨大的流动状态且对应不同的传热效率，揭示了湍流热对流系统和垂直热对流系统不同的传热机理。在此基础上，发现倾斜湍流热对流系统中，控制棘齿结构的排列方向可以有效调控系统的传热效率，为工业生产中流动传热主动控制技术提供了新的思路。
在我国碳达峰，碳中和的战略背景下，提高能源利用效率和降低能量损耗是重点研究方向之一。本书的研究成果，不仅有助于为热流机械、换热器、建筑通风等工业设计提供技术和理论支撑，同时也将增强学界对宇宙自然中热湍流现象的理解和认识，为热湍流的研究打开一扇新的大门。
孙超
2022年12月1日于北京

蒋河川，2021年获得清华大学工学博士学位，师从孙超教授，研究方向为超重力热湍流、复杂边界流动，曾于2019年前往美国哈佛大学进行学术交流访问，累计在Science Advances， Physical Review Letters等国际顶级杂志上发表五篇学术论文。曾担任清华大学本科辅导员，曾获得清华大学优秀博士毕业生、清华大学优秀博士学位论文、国家奖学金、清华大学一二·九辅导员奖、清华大学优秀学生干部等奖励。现就职于中国华能集团，从事清洁能源技术开发工作。

第1章 引言 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 研究现状 3
1.2.1 瑞利-伯纳德对流 3
1.2.2 湍流传热与湍流终极区间 5
1.2.3 边界层、羽流和大尺度环流动力学特性 9
1.2.4 旋转效应对热对流的影响 11
1.2.5 壁面粗糙结构对热对流的影响 15
1.3 研究目的与内容 17
1.4 本书结构 19
第2章 实验和数值方法 21
2.1 旋转超重力热湍流实验平台 21
2.1.1 圆环对流槽系统 21
2.1.2 测量系统 24
2.1.3 漏热补偿和安全保护系统 29
2.1.4 机电控制系统 30
2.2 粗糙表面湍流热对流实验平台 32
2.2.1 粗糙表面对流槽结构 32
2.2.2 阴影法流动可视化技术 34
2.3 数值方法 35
2.3.1 旋转超重力热湍流模拟 35
2.3.2 粗糙表面湍流热对流系统模拟 41
第3章 旋转效应对超重力热湍流系统的影响 45
3.1 研究目的 45
3.2 离心力随半径变化对超重力热湍流系统的影响 46
3.2.1 离心力随半径变化对系统传热特性的影响 47
3.2.2 离心力随半径变化对系统流动特性的影响 48
3.3 科里奥利力对超重力热湍流系统的影响 49
3.3.1 科里奥利力对系统传热特性的影响 50
3.3.2 科里奥利力对系统流动特性的影响 51
3.4 纬向流 55
3.4.1 纬向流在实验中的发现与条纹图法流动显示 55
3.4.2 产生纬向流的物理原因 58
第4章 高瑞利数下的湍流传热与湍流终极区间 62
4.1 研究目的 62
4.2 实验过程 63
4.3 阶段一：方案验证与标度律转变初探 67
4.3.1 旋转超重力系统的传热特性 68
4.3.2 标度律转变的两种可能解释 70
4.4 阶段二：探索湍流终极区间 71
4.4.1 湍流终极区间下的传热特性 71
4.4.2 达到湍流终极区间的证据与湍流终极区间下的流动特性 74
第5章 非对称费曼棘齿结构对瑞利-伯纳德对流系统的影响 78
5.1 研究目的 78
5.2 大尺度环流动力学特性 81
5.2.1 实验中大尺度环流方向的判定 82
5.2.2 大尺度环流择向统计特性的对称破缺 82
5.3 传热特性 84
5.3.1 传热测量和数值模拟过程 84
5.3.2 大尺度环流方向对传热效率的影响 87
5.4 流动结构 89
5.5 羽流定量统计特性 92
5.5.1 羽流识别 92
5.5.2 羽流面积直方图 93
第6章 非对称费曼棘齿结构对垂直对流系统的影响 95
6.1 研究目的 95
6.2 传热特性 97
6.2.1 实验测量和数值模拟过程 97
6.2.2 棘齿排列方向对传热效率的影响 100
6.3 大尺度环流的动力学特性 103
6.4 温度剖面特性 106
6.4.1 局部平均温度剖面 106
6.4.2 局部传热效率 108
6.5 垂直对流系统和瑞利-伯纳德对流系统的对比 110
第7章 非对称费曼棘齿结构对倾斜对流的影响 113
7.1 研究目的 113
7.2 传热特性随倾斜角的变化 115
7.3 流动特性随倾斜角的变化 118
7.4 局部统计特性对比 120
第8章 总结与展望 124
8.1 全书总结 124
8.2 研究创新点 127
8.3 未来展望 127
参考文献 129
在学期间发表的学术论文与获奖情况 144
致谢 146