强分层湍流中的湍流热扩散：理论与实验

湍流热扩散是温度分层湍流与小粒子惯性共同作用的结果。它导致在湍流热通量方向上出现粒子的非扩散湍流通量。该非扩散湍流通量与平均粒子数密度和惯性粒子有效速度的乘积成正比。此前仅针对小温度梯度和小斯托克斯数开发了该效应的理论（Phys. Rev. Lett. {\bf 76}, 224, 1996）。本研究开发了适用于任意温度梯度和斯托克斯数的湍流热扩散广义理论。我们在振荡网格湍流和多风扇产生的湍流中进行了实验室实验，以验证强分层湍流中的湍流热扩散理论。研究表明，对于大雷诺数，惯性粒子有效速度与特征垂直湍流速度之比小于 1。惯性粒子的有效速度以及湍流热扩散的有效系数随斯托克斯数增加而增大，在小斯托克斯数处达到最大值，随后在大斯托克斯数时减小。湍流热扩散的有效系数也随平均温度梯度的增加而减小。实验证明，所开发的理论与实验室实验结果吻合良好。