以熱“制”熱：上紐大團(tuán)隊提出新方法控制熱對流

文/上海紐約大學(xué) 編輯/清風(fēng)

燒水的時候，容器底部的液體首先受熱膨脹并攜帶著熱量上浮——這種流體運(yùn)動被稱為“熱對流”，是一種較為高效的熱量傳輸方式。有效地控制熱對流，調(diào)節(jié)液體中的熱量傳輸，是流體力學(xué)和熱工學(xué)領(lǐng)域近年來的一個重點研究方向，具備廣泛應(yīng)用前景。例如，可通過精確控制建筑內(nèi)的熱對流來調(diào)節(jié)通風(fēng)量，從而節(jié)省能源。

近日，上海紐約大學(xué)數(shù)學(xué)助理教授黃金紫及物理學(xué)和數(shù)學(xué)教授張駿提出了控制熱對流的新方法：通過施加橫向熱流，實現(xiàn)對整個流動系統(tǒng)的有效調(diào)控。該項研究已發(fā)表在該領(lǐng)域知名國際期刊Journal of Fluid Mechanics。

熱流、電流和水流之間有許多相似之處。在電磁系統(tǒng)中，對電流的控制可以通過“三極管”來實現(xiàn)。這一電子元件存在于所有集成電路即俗稱的“芯片”當(dāng)中，它是現(xiàn)代電子設(shè)備的核心器件。黃金紫助理教授說：“我們的研究在流體系統(tǒng)中展開，目的是探索能否實現(xiàn)類似于‘熱三極管’的機(jī)制，進(jìn)而控制熱流。”

黃金紫助理教授解釋道，以往的傳熱研究中，通常會使用機(jī)械裝置加速熱對流過程，好比使用攪拌棒讓熱水加速變涼。“本次研究中提出的新方法不需要使用任何移動裝置，而是通過輸入一股橫向熱流來控制整個環(huán)流系統(tǒng)——我們對限制液體的兩個側(cè)面分別進(jìn)行加熱和制冷，從而產(chǎn)生橫向熱流。在這個過程中，受熱的液體從一側(cè)上浮、較冷的液體則從另一側(cè)下沉，加強(qiáng)了熱對流運(yùn)動。我們可以通過調(diào)節(jié)這股橫向熱流，實現(xiàn)對整個環(huán)流系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制。”

團(tuán)隊通過數(shù)值模擬來對大量參數(shù)進(jìn)行計算，系統(tǒng)地研究了新機(jī)制的動力學(xué)和熱學(xué)特性，證實了該系統(tǒng)能夠增強(qiáng)液體環(huán)流并提升熱量傳輸效率。“本次研究證明了‘熱三極管’這一機(jī)制的可行性。通過調(diào)節(jié)‘熱流信號’（即所輸入的橫向熱流）便可以控制熱對流的傳熱效率。” 張駿教授說，“當(dāng)前，我們的實驗室正在進(jìn)一步研究這一新機(jī)制，并初步構(gòu)建起了‘熱三極管’的實驗?zāi)Ｐ汀Ｎ覀円蚕Ｍ谖磥淼难芯恐刑剿髦圃臁疅犭娐贰目赡苄裕鲞M(jìn)熱學(xué)與電學(xué)間的聯(lián)系。”

▲ 熱流控制機(jī)制圖解