壁面剪切热对流：传热强化与湍流再层流化

我们研究了施加不同类型壁面剪切的二维与三维Rayleigh-Bénard对流腔中的流动组织与传热特性。施加外部壁面剪切的动机在于操控流动模态以控制传热效率。我们施加了三种可能分别促进单滚、水平堆叠双滚与垂直堆叠双滚流动模态的壁面剪切。在固定Rayleigh数$Ra = 10^{8}$与固定Prandtl数$Pr = 5.3$下进行了直接数值模拟，壁面剪切Reynolds数（$Re_{w}$）范围为$60 \le Re_{w} \le 6000$。总体上，我们发现传热效率与全局流动强度随$Re_{w}$增大而增强。然而，即便全局流动强度量级相同，不同壁面剪切类型下的传热效率也存在显著差异。一个有趣的发现是，通过增大壁面剪切强度，热湍流发生再层流化，更令人惊讶的是，层流态下的传热效率高于湍流态。我们发现层流区传热效率的增强源于更稳定且更强的对流通道的形成。我们提出热湍流层流化的起源是热羽流数量的减少。由于羽流主要负责湍流动能的产生，当脱离的羽流被壁面剪切扫走时，羽流数量减少导致湍流动能产生减弱。我们还量化了通过外部剪切促进热输运的效率，发现对于更大的$Re_{w}$，传热效率的增强是以更大的机械能消耗为代价的。