由重力方向的不稳定温度梯度驱动的湍流对流存在于众多自然界流动中，如大气、海洋、地幔和恒星对流层，等。此外对流湍流也是多种工程流动的重要热量和物质输运机制，如过程工程流动、室内温控、器件散热等。如何调控并增强对流传热效率不仅有重要的工程应用价值，也是理解湍流热对流输运机理的重要手段。研究者们已经提出众多不同的热对流调控机制，如粗糙边界、对流腔水平振动、边界温度振荡等。但是这些调控方法或者有效参数区间较小，或者需要极高频率，或者热流增强效果有限。

近日，北京大学工学院力学与工程科学系陈十一课题组与杨延涛课题组合作，提出了采用边界振动变形这一提高湍流对流传热效率的新机制。具体来说，在流动系统底部高温和顶部低温边界引入驻波形式的振动变形，对边界层区域流动进行直接扰动，从而实现对整体流动特性和输运效率的有效调制。图1给出了一个典型的变形边界流场。研究结果表明，边界振动振幅仅需要与边界层厚度相当，即可以在中高波数和频率范围内实现热流的大幅增加。数值模拟结果给出，无量纲频率仅为8时，无量纲热流即可以增强一倍以上。由于边界振动对边界层流动产生剧烈扰动，从而打破了边界层这一经典热对流中的传热瓶颈。由此也导致无量纲热流与无量纲温差之间的依赖关系趋向于所谓“湍流终极态”标度律。

图 1. 瞬时温度场体积渲染, 上下壁面处于最大变形状态。

本研究工作的详细内容参见论文：

Yuan et al., Physical Review Letters, 130:204001, 2023 (https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.204001)。

论文第一作者为北京大学工学院 2020 级博士生袁磊祺，前北京大学工学院博士后邹舒帆为第二作者。本研究工作得到国家自然科学基金和崂山实验室的支持。