以熱“制”熱：上紐大團(tuán)隊(duì)提出新方法控制熱對(duì)流

文/上海紐約大學(xué) 編輯/清風(fēng)

燒水的時(shí)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(dòng)被稱為“熱對(duì)流”，是一種較為高效的熱量傳輸方式。有效地控制熱對(duì)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(lái)的一個(gè)重點(diǎn)研究方向，具備廣泛應(yīng)用前景。例如，可通過(guò)精確控制建筑內(nèi)的熱對(duì)流來(lái)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(duì)流的新方法：通過(guò)施加橫向熱流，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)的有效調(diào)控。該項(xiàng)研究已發(fā)表在該領(lǐng)域知名國(guó)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(duì)電流的控制可以通過(guò)“三極管”來(lái)實(shí)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(shuō)：“我們的研究在流體系統(tǒng)中展開(kāi)，目的是探索能否實(shí)現(xiàn)類似于‘熱三極管’的機(jī)制，進(jìn)而控制熱流?！?/p>

黃金紫助理教授解釋道，以往的傳熱研究中，通常會(huì)使用機(jī)械裝置加速熱對(duì)流過(guò)程，好比使用攪拌棒讓熱水加速變涼?！氨敬窝芯恐刑岢龅男路椒ú恍枰褂萌魏我苿?dòng)裝置，而是通過(guò)輸入一股橫向熱流來(lái)控制整個(gè)環(huán)流系統(tǒng)——我們對(duì)限制液體的兩個(gè)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(gè)過(guò)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(duì)流運(yùn)動(dòng)。我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)這股橫向熱流，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)環(huán)流系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制?！?/p>

團(tuán)隊(duì)通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)對(duì)大量參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，系統(tǒng)地研究了新機(jī)制的動(dòng)力學(xué)和熱學(xué)特性，證實(shí)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(guò)調(diào)節(jié)‘熱流信號(hào)’（即所輸入的橫向熱流）便可以控制熱對(duì)流的傳熱效率?！?張駿教授說(shuō)，“當(dāng)前，我們的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。我們也希望在未?lái)的研究中探索制造‘熱電路’的可能性，增進(jìn)熱學(xué)與電學(xué)間的聯(lián)系?！?/p>

▲ 熱流控制機(jī)制圖解