受迫稳定分层湍流中温度波动的实验研究

我们在气流中通过实验研究了稳定分层受迫湍流中的温度波动。在施加垂直温度梯度的实验中，湍流由位于腔室侧壁附近的两个振荡网格产生。我们使用粒子图像测速法（Particle Image Velocimetry）确定湍流和平均速度场，并采用专门设计的带有灵敏热电偶的温度探头来测量温度场。我们发现比值 $\big[(\ell_x \nabla_x \bar{T})^2 + (\ell_y \nabla_y \bar{T})^2 + (\ell_z \nabla_z \bar{T})^2\big] / <\theta^2 >$ 近乎常数，独立于网格振荡频率，且对于稳定和不稳定分层湍流具有相同的量级，其中 $\ell_i$ 是沿 $x, y, z$ 方向的湍流积分尺度，$\bar{T}$ 和 $\theta$ 分别是流体温度的平均分量和湍流波动分量。我们证明，对于较高的网格振荡频率，温度场可视为被动标量；而对于较低的频率，温度场表现为主动场。基于湍流动能、湍流势能（$\propto <\theta^2 >$）和湍流热通量的预算方程的理论预测与实验结果吻合良好。我们还与先前在不稳定分层受迫湍流中获得的实验结果进行了详细比较。