Dieses Thema wird von Prof. Ke-Qing Xia (Southern University of Science and Technology, Shenzhen, China) und seinen Mitarbeitern hauptsächlich auf der Grundlage ihrer Forschungsarbeit der letzten zehn Jahre überprüft.
Als letztes ungelöstes Problem in der klassischen Physik haben Fluidturbulenzen sowohl in akademischen als auch in technischen Kreisen viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Im Gegensatz zu völlig ungeordneten Systemen ist ein charakteristisches Merkmal turbulenter Strömungen die Existenz kohärenter Strukturen, die räumlich-zeitlich über eine Reihe von Skalen korreliert sind.
Es ist seit langem bekannt, dass diese kohärenten Strukturen die Hauptträger für den Massen-, Impuls- und Wärmetransport in Turbulenzen sind. Aufgrund der inhärenten Eigenschaften turbulenter Strömungen, wie z. B. starker Nichtlinearität und starker Dissipation, ist die Manipulation kohärenter Strukturen zur Steuerung des turbulenten Transports jedoch seit langem ein Problem.
In den letzten zehn Jahren hat das Team von Prof. Xia in dieser Frage bedeutende Fortschritte gemacht. Durch die Durchführung einer Reihe von Studien in einem kanonischen thermischen Turbulenzsystem, nämlich der turbulenten Rayleigh-Bénard-Konvektion, entdeckten sie einen neuen Mechanismus zur Abstimmung des turbulenten Wärmetransports durch kohärente Strukturmanipulation durch einfache geometrische Begrenzung.
Bei diesem Mechanismus wird die Wärmeübertragungseffizienz eher durch die Kohärenz der thermischen Strukturen (gekennzeichnet durch ihre geometrischen Eigenschaften) als durch die Turbulenzintensität gesteuert.
Dadurch kann die Wärmetransporteffizienz erheblich verbessert werden, selbst wenn die resultierende Strömung viel langsamer ist. Sehr wichtig ist, dass sich dieser Mechanismus grundlegend von dem vorherrschenden Wärmemanagementansatz unterscheidet, der auf der klassischen Sichtweise der wandbegrenzten Turbulenz basiert, die sich normalerweise auf die direkte Modifikation der diffusionsdominierenden Grenzschicht konzentriert, um die turbulente Wärmeübertragung zu verstärken oder zu hemmen.
In dem Übersichtsartikel stellten Prof. Xia und seine Mitarbeiter das physikalische Bild hinter diesem neu entdeckten Mechanismus vor und erklärten es im Detail und diskutierten seine potenziellen Anwendungen im passiven Wärmemanagement (wie etwa der Elektronikkühlung).
Darüber hinaus demonstrieren sie durch die Einführung zusätzlicher Beispiele für thermische Turbulenzsysteme, die verschiedenen dynamischen Prozessen (einschließlich Rotation, Doppeldiffusion, Magnetfeld, Neigung, Modifikation durch Polymeradditiv usw.) unterliegen, weiter, wie das Framework der kohärenten Struktur manipulieren kann verallgemeinert werden, um das Wärmetransportverhalten in scheinbar unterschiedlichen Turbulenzsystemen einheitlich zu verstehen. Es wird erwartet, dass dieser universelle Mechanismus in anderen Arten von turbulenten Strömungen realisiert wird.
Dieser Übersichtsartikel behandelt auch andere wichtige Fortschritte in diesem Forschungsthema und skizziert einige zukünftige Richtungen. Diese liefern nicht nur neue Erkenntnisse für die Gemeinschaften der Turbulenzforschung und Wärmeübertragung, sondern fördern auch den Entwurf und die Entwicklung von technischen Systemen mit einstellbarer Transporteffizienz.
Die Arbeit ist veröffentlicht in National Science Review.
Mehr Informationen:
Ke-Qing Xia et al, Tuning Heat Transport Via Coherent Structure Manipulation: Recent Advances in Thermal Turbulence, National Science Review (2023). DOI: 10.1093/nsr/nwad012