通过控制相干结构调控湍流传热的研究进展 | NSR综述

2023-04-12 02:04

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湍流中的相干结构在传热、传质等过程中扮演着非常关键的角色。如何控制这些相干结构进而调控湍流的传热效率，不仅具有重要的基础研究价值，而且在工程领域有着广泛的应用前景。《国家科学评论》近期发文报道了对这方面研究进展的综述。

近日，《国家科学评论》杂志在线发表了南方科技大学夏克青教授团队关于如何通过控制相干结构从而实现湍流传热调控的研究进展综述。

作为经典物理的最后一个未解之谜，湍流备受学术界的关注。不同于完全无序的混沌系统，湍流的一个关键特征是系统中存在具有一定时空关联尺度的相干结构。尽管人们早已知悉这些相干结构是湍流中质量、动量和热量输运的主要载体，但由于湍流的强非线性、强耗散等特点，如何操控相干结构进而调控系统的输运特性，一直是湍流研究领域和相关工业应用中的难题。

近十年来，夏克青教授团队针对该难题在热湍流系统中开展了一系列研究，发现了通过简单的空间约束即可操控相干结构进而调控湍流传热的新现象和新机制。在该机制下，湍流的热输运效率由相干结构的相干性（通过几何特性表征）所主导，出现了流动减弱但传热增强的反直观现象。这个机制完全不同于湍流研究领域长期以来的主流思路和方法，即通过直接改造由分子扩散主导的边界层特性来增强或抑制传热。

在该综述中，作者们详细介绍了通过控制相干结构调控湍流传热这一机制背后的物理图像，并讨论了该机制在工程热管理等领域的潜在应用。通过进一步介绍几类受到不同动力学过程约束/调制的热湍流系统（包括旋转约束、双扩散效应、磁约束、倾斜调制、高聚物调制等），他们阐释了如何基于相干结构操控这一物理图像来统一理解这些不同系统中的湍流传热特性，从而证明了该机制的普适性。鉴于相干结构是湍流的关键特征，该机制有望被推广到更多不同类型的湍流系统中。

通过空间约束控制热湍流中的相干结构

图中展示了经典热湍流在矩形对流腔体中的瞬时流场(a, b)和时间平均热流场(c, d)。通过减小对流腔体的横向尺寸，热湍流受到的空间约束增强，占据系统边界的大尺度环流结构被含能量更高的热相干结构所取代(即流场中红色/蓝色的结构)。这种对相干结构的操控，不仅导致了整体传热效率的显著变化，还极大地改变了系统中热量输运的空间分布模式。

该综述以夏克青教授团队近十年的研究成果为主体，同时涵盖了相关领域近年来的重要研究进展，并对今后的发展方向进行了展望和讨论。这些内容不仅为湍流、传热等领域的研究提供了新观点和新思路，还将促进具有可调控热输运效率的工程系统的设计和发展。

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