本書成書之時(shí)恰逢歐洲能源危機(jī)、國(guó)內(nèi)電力緊張之際，能源作為現(xiàn)代社會(huì)的基石，深刻影響著人類社會(huì)的生產(chǎn)、生活。本書圍繞能源電力、動(dòng)力裝備、航空航天等工程科學(xué)，以及天體物理等自然現(xiàn)象過程中的熱流科學(xué)問題展開，發(fā)現(xiàn)了新的現(xiàn)象并揭示了其物理機(jī)制，體現(xiàn)出研究工作的重要價(jià)值。非常感謝清華大學(xué)和清華大學(xué)出版社的支持，使作者的博士學(xué)位論文能夠入選清華大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文叢書項(xiàng)目。本人也非常榮幸為本書作序，為相關(guān)讀者推薦本書。
節(jié)能減排、綠色發(fā)展在現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展中扮演著越來越重要的角色。統(tǒng)計(jì)資料表明，我國(guó)在工業(yè)、電力、交通、農(nóng)業(yè)和民用等方面，總的能源利用率約為30%，在全球處于較落后的位置。在能源消耗中，熱損耗占有相當(dāng)大的比重，研究傳熱過程的重要性不言而喻。熱對(duì)流作為傳熱的主要形式之一，具有強(qiáng)非線性的復(fù)雜特點(diǎn)，且大型建筑、熱流機(jī)械中的控制參數(shù)、瑞利數(shù)，遠(yuǎn)超目前實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬的參數(shù)范圍，對(duì)超高瑞利數(shù)下熱湍流的研究受到越來越多的關(guān)注。
本書作者提出了利用高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大離心力代替重力來提高瑞利數(shù)的新方法，搭建了高達(dá)百倍等效重力加速度的旋轉(zhuǎn)超重力熱湍流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)超重力驅(qū)動(dòng)熱湍流展開了深入研究。依靠該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在接近兩個(gè)數(shù)量級(jí)的瑞利數(shù)區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了熱湍流對(duì)終極區(qū)間標(biāo)度律的直接實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并得到對(duì)數(shù)區(qū)速度型、剪切雷諾數(shù)、溫度脈動(dòng)等數(shù)據(jù)的印證。同時(shí)，研究了旋轉(zhuǎn)效應(yīng)帶來的科里奧利力等因素的影響，發(fā)現(xiàn)科里奧利力會(huì)抑制流體沿著旋轉(zhuǎn)軸方向的流動(dòng)，使得流場(chǎng)準(zhǔn)二維化。此外，觀察到了對(duì)流渦的大尺度周向運(yùn)動(dòng)。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)相關(guān)學(xué)科理論的發(fā)展，以及理解旋轉(zhuǎn)天體中的流動(dòng)現(xiàn)象和優(yōu)化熱力機(jī)械中的熱設(shè)計(jì)具有重要意義。
隨著瑞利數(shù)的增大，熱對(duì)流系統(tǒng)的邊界層會(huì)逐漸變薄，壁面粗糙結(jié)構(gòu)的影響顯現(xiàn)，研究壁面結(jié)構(gòu)對(duì)熱湍流傳熱效率和湍流結(jié)構(gòu)演化的影響具有重要的科學(xué)和工程意義。本書將非對(duì)稱的費(fèi)曼棘齒粗糙壁面結(jié)構(gòu)的概念引入湍流熱對(duì)流研究領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)湍流熱對(duì)流系統(tǒng)的對(duì)稱性被非對(duì)稱的棘齒壁面結(jié)構(gòu)打破。由于棘齒結(jié)構(gòu)的存在，熱湍流系統(tǒng)存在兩種差異巨大的流動(dòng)狀態(tài)且對(duì)應(yīng)不同的傳熱效率，揭示了湍流熱對(duì)流系統(tǒng)和垂直熱對(duì)流系統(tǒng)不同的傳熱機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)傾斜湍流熱對(duì)流系統(tǒng)中，控制棘齒結(jié)構(gòu)的排列方向可以有效調(diào)控系統(tǒng)的傳熱效率，為工業(yè)生產(chǎn)中流動(dòng)傳熱主動(dòng)控制技術(shù)提供了新的思路。
在我國(guó)碳達(dá)峰，碳中和的戰(zhàn)略背景下，提高能源利用效率和降低能量損耗是重點(diǎn)研究方向之一。本書的研究成果，不僅有助于為熱流機(jī)械、換熱器、建筑通風(fēng)等工業(yè)設(shè)計(jì)提供技術(shù)和理論支撐，同時(shí)也將增強(qiáng)學(xué)界對(duì)宇宙自然中熱湍流現(xiàn)象的理解和認(rèn)識(shí)，為熱湍流的研究打開一扇新的大門。
孫超
2022年12月1日于北京