粗糙表面湍流 Rayleigh-Bénard 对流中的热边界层

我们呈现了在粗糙表面热驱动对流中近壁温度场的高分辨率测量。我们的测量是在一个名为“Barrel of Ilmenau”的非常大的实验装置中进行的。它们提供了对热固体表面与周围流体之间界面处局部传输过程的独特洞察。为了探测近壁温度场，我们使用了一个直径为 130 $\mu$m、长度为 330 $\mu$m、响应时间 $\tau_{70}$ 小于 150 ms 的微型热敏电阻。该传感器比边界层厚度小四十倍，并且它允许的分辨率优于我们实验中出现的典型 Kolmogorov 微尺度。我们证明了通常在粗糙表面观察到的热通量增强，基本上源于粗糙元顶部局部传热系数的增加。我们还阐明了在临界 Ra 数 $Ra_c$ 之外观察到的全局传热关系 $Nu\sim Ra^{\gamma}$ 标度转变的详细机制。在具有粗糙表面的湍流 Rayleigh-Bénard 对流中，它已经出现在 $Ra_c\approx 10^{10}$ [Tisserand et al. Phys. Fluids 23, 015105(2011)]，而对于光滑平板，它已被预测在 $Ra_c\approx 10^{14}$ [Grossmann & Lohse Phys. Rev. Lett. 86, 3316(2001)]。我们发现粗糙表面的这种转变归因于粗糙元顶部边界层更早的层流-湍流转变以及障碍物之间温度场的修正。