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湍流Rayleigh-Bénard(R-B)对流是从自然现象和工程实践中抽象出来的研究湍流热对流的经典模型。目前，湍流R-B对流的研究多是针对密度随温度线性变化的常规流体，而对于密度极值流体的湍流R-B对流而言，流动产生于腔体底部非稳定层内并逐步向上部稳定层渗透，带动稳定层内流体流动。目前，对于密度极值流体渗透湍流R-B对流的研究较少。本文以具有密度极值流体的渗透湍流R-B对流为对象，采用实验和数值模拟相结合的方法，研究二维矩形腔体、三维圆柱形腔体以及三维立方形腔体内Rayleigh数、密度倒置参数以及几何尺寸对流动特性和传热性能的影响，获取整个流域内的温度场和速度场，分析对流腔体内的湍流脉动特性，揭示渗透湍流R-B的大尺度环流形成及反转机理，拟合不同对流腔体内的传热关联式。本课题的研究对拓展湍流R-B对流的研究领域，发展渗透对流传热理论具有重要的学术价值和科学意义。主要研究内容和结果如下：
首先，对二维矩形腔体内具有密度极值流体的渗透湍流R-B对流进行了数值模拟。结果表明，(1)密度倒置现象的存在会抑制冷羽流的产生，密度倒置参数越大，冷羽流的产生越困难。小密度倒置参数时，冷热羽流共同驱动大尺度环流的形成，大密度倒置参数时，热羽流是大尺度环流形成的唯一驱动力。(2)二维矩形腔体内密度极值流体R-B对流会发生大尺度环流反转现象，但密度倒置参数和Rayleigh数的增大会抑制大尺度环流反转的发生。(3)流动结构与宽深比密切相关，小宽深比条件下，涡结构垂直叠置，涡的数量随时间不断变化；中等宽深比时，相同Rayleigh数会出现多种流动结构并存的现象；大宽深比时，流动结构几乎不随时间改变。(4)加热面平均Nusselt数与Rayleigh数的幂次方呈正比，随密度倒置参数的增加线性减小，受宽深比的影响不大。
其次，对圆柱形腔体内具有密度极值流体的渗透湍流R-B对流进行了数值模拟。结果表明，(1)小密度倒置参数下，热羽流和冷羽流共同主导大尺度环流的形成，涡尺度较小，涡的分布主要集中在腔体中心。大密度倒置参数下，热羽流驱动大尺度环流的形成，涡尺度较大，涡的分布更靠近腔体边壁。(2)随着Rayleigh数增加，依次出现软湍流状态区和硬湍流状态区。在软湍流状态区，Nusselt数的概率密度呈高斯分布。随着Rayleigh数的增加，渗透深度增长十分迅速，等温面的变形更为剧烈，涡的尺度减小，涡的分布向腔体中心靠近。在硬湍流状态区，Nusselt数的概率密度呈指数分布，腔体内出现羽流结构。随着Rayleigh数的增加，羽流结构更加明显，涡的尺度减小，涡的分布更靠近于腔体边壁。(3)径深比极小时，无羽流结构存在，传热能力较弱。随着径深比的增加，出现羽流结构，圆柱形腔体内大尺度环流占主导地位，平均Nusselt数变化不大。径深比较大时，羽流以垂直运动为主，大尺度环流结构消失，平均Nusselt数增大。
然后，对三维立方形腔体内具有密度极值流体的渗透湍流R-B对流进行了数值模拟。结果表明，(1)对于立方腔体，小密度倒置参数下，大尺度环流面位于腔体对角面上，涡的分布集中在大尺度环流面上。密度倒置参数很大时，羽流横向偏转减弱，大尺度环流结构消失，涡的分布集中在腔体中心区域。(2)随着Rayleigh数增大，等温面变形加剧直至出现羽流结构，涡尺度逐渐减小。(3)随着宽深比变化，出现三个不同的传热区间。宽深比较大时，为边界层控制区，腔体内大尺度环流占主导，平均Nusselt数几乎不随宽深比变化。随着宽深比减小，进入羽流控制区，羽流尺度与腔体的宽度相当，平均Nusselt数急剧增大。随着宽深比进一步减小，为严格限制区，受壁面拽力影响，平均Nusselt数减小。
最后，对宽深比为0.3的三维立方形腔体内具有密度极值冷水的渗透湍流R-B对流进行了实验研究。结果表明，数值计算拟合的传热关联式预测的平均Nusselt数与实验结果吻合较好。密度倒置参数和Rayleigh数的增加均使得大尺度环流反转更难发生。大密度倒置参数和大Rayleigh数下没有发现大尺度环流反转现象。
首先，对二维矩形腔体内具有密度极值流体的渗透湍流R-B对流进行了数值模拟。结果表明，(1)密度倒置现象的存在会抑制冷羽流的产生，密度倒置参数越大，冷羽流的产生越困难。小密度倒置参数时，冷热羽流共同驱动大尺度环流的形成，大密度倒置参数时，热羽流是大尺度环流形成的唯一驱动力。(2)二维矩形腔体内密度极值流体R-B对流会发生大尺度环流反转现象，但密度倒置参数和Rayleigh数的增大会抑制大尺度环流反转的发生。(3)流动结构与宽深比密切相关，小宽深比条件下，涡结构垂直叠置，涡的数量随时间不断变化；中等宽深比时，相同Rayleigh数会出现多种流动结构并存的现象；大宽深比时，流动结构几乎不随时间改变。(4)加热面平均Nusselt数与Rayleigh数的幂次方呈正比，随密度倒置参数的增加线性减小，受宽深比的影响不大。
其次，对圆柱形腔体内具有密度极值流体的渗透湍流R-B对流进行了数值模拟。结果表明，(1)小密度倒置参数下，热羽流和冷羽流共同主导大尺度环流的形成，涡尺度较小，涡的分布主要集中在腔体中心。大密度倒置参数下，热羽流驱动大尺度环流的形成，涡尺度较大，涡的分布更靠近腔体边壁。(2)随着Rayleigh数增加，依次出现软湍流状态区和硬湍流状态区。在软湍流状态区，Nusselt数的概率密度呈高斯分布。随着Rayleigh数的增加，渗透深度增长十分迅速，等温面的变形更为剧烈，涡的尺度减小，涡的分布向腔体中心靠近。在硬湍流状态区，Nusselt数的概率密度呈指数分布，腔体内出现羽流结构。随着Rayleigh数的增加，羽流结构更加明显，涡的尺度减小，涡的分布更靠近于腔体边壁。(3)径深比极小时，无羽流结构存在，传热能力较弱。随着径深比的增加，出现羽流结构，圆柱形腔体内大尺度环流占主导地位，平均Nusselt数变化不大。径深比较大时，羽流以垂直运动为主，大尺度环流结构消失，平均Nusselt数增大。
然后，对三维立方形腔体内具有密度极值流体的渗透湍流R-B对流进行了数值模拟。结果表明，(1)对于立方腔体，小密度倒置参数下，大尺度环流面位于腔体对角面上，涡的分布集中在大尺度环流面上。密度倒置参数很大时，羽流横向偏转减弱，大尺度环流结构消失，涡的分布集中在腔体中心区域。(2)随着Rayleigh数增大，等温面变形加剧直至出现羽流结构，涡尺度逐渐减小。(3)随着宽深比变化，出现三个不同的传热区间。宽深比较大时，为边界层控制区，腔体内大尺度环流占主导，平均Nusselt数几乎不随宽深比变化。随着宽深比减小，进入羽流控制区，羽流尺度与腔体的宽度相当，平均Nusselt数急剧增大。随着宽深比进一步减小，为严格限制区，受壁面拽力影响，平均Nusselt数减小。
最后，对宽深比为0.3的三维立方形腔体内具有密度极值冷水的渗透湍流R-B对流进行了实验研究。结果表明，数值计算拟合的传热关联式预测的平均Nusselt数与实验结果吻合较好。密度倒置参数和Rayleigh数的增加均使得大尺度环流反转更难发生。大密度倒置参数和大Rayleigh数下没有发现大尺度环流反转现象。