Мгновенные поля течения (а, б) и осредненные по времени поля теплового потока (в, г) в канонической системе тепловой турбулентности с прямоугольной геометрией. Применяя пространственное ограничение за счет уменьшения боковых размеров системы, циркуляционный поток размером с домен заменяется более энергичными тепловыми когерентными структурами (обозначены красными/синими структурами). Такая манипуляция в когерентных структурах приводит не только к существенному изменению глобального теплообмена, но и сильно изменяет картину пространственного распределения теплового потока.
Предоставлено: Science China Press.

Эта тема рассмотрена профессором Ке-Цин Ся (Южный университет науки и технологии, Шэньчжэнь, Китай) и его сотрудниками, в основном на основе их исследовательской работы за последние десять лет.

Будучи последней нерешенной проблемой в классической физике, турбулентность жидкости привлекла большое внимание как академического, так и инженерного сообщества. В отличие от полностью неупорядоченных систем, определяющей чертой турбулентных течений является наличие когерентных структур, которые пространственно-временно скоррелированы в различных масштабах.

Давно известно, что эти когерентные структуры являются основными переносчиками массы, импульса и тепла в турбулентности. Однако из-за присущих турбулентным потокам характеристик, таких как сильная нелинейность и сильное рассеяние, вопрос о том, как манипулировать когерентными структурами для управления турбулентным переносом, остается давней проблемой.

За последнее десятилетие команда профессора Ся добилась значительных успехов в этом вопросе. Проведя серию исследований канонической системы тепловой турбулентности, а именно турбулентной конвекции Рэлея-Бенара, они обнаружили новый механизм настройки турбулентного теплопереноса посредством когерентных структурных манипуляций посредством простого геометрического ограничения.

При этом механизме эффективность теплообмена определяется когерентностью тепловых структур (характеризуемой их геометрическими свойствами), а не интенсивностью турбулентности.

В результате эффективность переноса тепла может быть значительно повышена, даже если результирующий поток будет намного медленнее. Очень важно, что этот механизм принципиально отличается от преобладающего подхода к управлению теплом, основанного на классическом взгляде на турбулентность, ограниченную стенками, которая обычно сосредоточена на непосредственном изменении диффузионно-доминирующего пограничного слоя для усиления или подавления турбулентного теплообмена.

В обзорной статье профессор Ся и его сотрудники представили и подробно объяснили физическую картину этого недавно открытого механизма, а также обсудили его потенциальные применения в пассивном управлении температурой (например, для охлаждения электроники).

Более того, вводя дополнительные примеры систем тепловой турбулентности, которые подвержены различным динамическим процессам, включая вращение, двойную диффузию, магнитное поле, наклон, модификацию полимерной добавкой и т.п. могут быть обобщены, чтобы единым образом понять поведение переноса тепла в, казалось бы, разных системах турбулентности. Ожидается, что этот универсальный механизм реализуется и в других типах турбулентных течений.

В этой обзорной статье также рассматриваются другие важные достижения в этой исследовательской теме и намечаются некоторые будущие направления. Они не только обеспечивают новое понимание для сообществ, занимающихся исследованиями турбулентности и теплообмена, но также способствуют проектированию и разработке инженерных систем с настраиваемой транспортной эффективностью.