Forscher der Abteilung für Mechanik und Ingenieurwissenschaften der Peking-Universität (PKU) unter der Leitung von Prof. Chen Shiyi und Prof. Yang Yantao haben kürzlich einen Mechanismus vorgeschlagen, um die Effizienz der Wärmeübertragung bei konvektiven Turbulenzen zu verbessern. Der Artikel wurde veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchungmit dem Titel „Boundary-Layer Disruption and Heat-Transfer Enhancement in Convection Turbulence by Oscillating Deformations of Boundary“.
Konvektive Turbulenzen, die durch schwerkraftbedingte Instabilitäten aufgrund von Temperaturgradienten verursacht werden, kommen in verschiedenen natürlichen Strömungen, einschließlich der Atmosphäre, dem Ozean und dem Erdmantel, häufig vor. Es wird als unverzichtbarer Prozess sowohl für den Wärme- als auch für den Stofftransport bezeichnet und findet praktische Anwendungen bei der Wärmeableitung in Geräten und der Innenraumtemperaturregelung.
Die bestehenden Methoden zur Regulierung konvektiver Turbulenzen weisen jedoch mehrere Nachteile auf. Sie funktionieren nur in einem begrenzten Parameterbereich, erfordern eine extrem hohe Frequenz und daher ist die Verbesserung der gesamten Wärmeübertragung begrenzt.
Der neuartige Ansatz des PKU-Forschungsteams konzentriert sich auf die Einführung oszillierender Verformungen in Form stehender Wellen in einem Strömungssystem, in dem die Oberseite eine hohe Temperatur und die Unterseite eine niedrige Temperatur aufweist, und so die Transporteffizienz effektiv zu modulieren.
Die Forschungsergebnisse zeigen, dass signifikante Steigerungen des Wärmeflusses nur dann erreicht werden können, wenn sich die Amplitude der Grenzschwingungen der Dicke der Grenzschichten nähert. Bemerkenswert ist, dass sich der dimensionslose Wärmefluss mehr als verdoppelt, wenn die dimensionslose Frequenz genau 8 erreicht. Im Wesentlichen können oszillierende Verformungen der Grenze den Engpass der klassischen thermischen Konvektion in der Grenzschicht durchbrechen und einen neuen Ort für die Modulation der Konvektionsturbulenz eröffnen.
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Leiqi Yuan et al., Grenzschichtstörung und Verbesserung der Wärmeübertragung bei Konvektionsturbulenzen durch oszillierende Verformungen der Grenze, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.204001