第二届上海大学十大学术进展候选项目简介

（申报编号：XSJZ-202219)

一、学术进展名称及负责人：

振动热湍流的结构及输运机理研究

周全（上海大学力学与工程科学学院研究员）

二、项目背景：

湍流是流体运动的普遍形式，结构和输运是湍流的核心问题。振动激励下的湍流流动普遍存在于各种工程应用中，机械振动等外部激励引入了非常复杂的流场边界条件，将改变湍流结构的生成和演化规律，从而极大地影响湍流的物质和能量输运。在实际工程问题中，大多数流动装置或设备都处于各种各样的机械振动之中，湍流流动无法避免机械振动等外部激励的影响。例如：在潜艇的冷却系统中，管道振动等外部激励对管道内部湍流流动的影响是冷却管路系统设计过程中必须要着重考虑的因素。因此，振动激励下的湍流流动是普遍存在的，对其基本规律的研究具有普遍意义。有针对性地开展振动热湍流结构生成演化规律及输运机理研究，既可以帮助人们获得湍流机理的新认识和新理解，又可以为潜在的工业应用提供理论指导。

三、学术进展及创新点：

综合考虑振动、湍流和热等三个核心要素，关注振动热湍流中外部激励与湍流结构间的相互作用问题，研究其中的结构演化特性和输运规律——进行尺度分析和能量输运机制研究；发展新的湍流结构识别分析方法，实现高频振动下湍流结构的捕捉和重构，得到多级结构不同尺度上的能量占比；高频水平振动会触发边界层转捩，为湍流边界层研究提供了不同的视角。主要创新点有：

提出了振动热湍流的新概念，突破传统流体边界层限制传热的瓶颈，实现了湍流传热效率的大幅提升，为工程应用提供了理论指导和突破性思路；揭示了振动将引发流体边界层的“层流-湍流转捩”，从而传热规律将由经典标度律逐步过渡到终极态标度律。1962 年以来，湍流界一直在寻找 Kraichnan 猜想的湍流热对流终极态，该研究结果给出了湍流终极态标度律存在的直接证据。

本工作得到国家自然科学基金委湍流结构重大研究计划重点支持项目“浮力驱动湍流中系统振动对湍流结构生成演化及输运的影响研究”（92052201）、国家自然科学基金委优秀青年科学基金项目（海外）“湍流结构及输运机理”的支持。

四．研究成果及应用情况、学术及社会影响：

1. 代表性成果（论著、专利及获奖）

（1）Wang, B. F., Zhou, Q., & Sun, C. (2020). Vibration-induced boundary-layer destabilization achieves massive heat-transport enhancement. Science Advances, 6(21), eaaz8239.

（2）Wu, J. Z., Wang, B. F., Chong, K. L., Dong, Y. H., Sun, C., & Zhou, Q. (2022). Vibration induced ‘anti-gravity’ tames thermal turbulence at high Rayleigh numbers. Journal of Fluid Mechanics, 951, A13.

（3）Guo, X. Q., Wang, B. F., Wu, J. Z., Chong, K. L., & Zhou, Q. (2022). Turbulent vertical convection under vertical vibration. Physics of Fluids, 34(5), 055106.

（4）负责人周全教授获2022年第十一届“上海青年科技英才（基础研究类）”称号

2. 学术及社会影响

振动热湍流的系列研究结果开创性地揭示了外部振动激励增强或抑制热湍流输运的机理，为实现湍流输运的控制和发展相应的湍流控制方法开辟了新的思路；同时也对实际工程中预测振动激励对湍流输运的影响具有重要的指导意义。该系列工作发表后受到国内外同行的广泛关注和引用，此外，研究成果还在许多媒体（包括搜狐新闻、CSDN、SNNS）上公开报道。