温度变化会增加热对流

根据可能与气候模型相关联的实验，如果流体中的温度梯度发生变化，热量会更有效地通过流体。

根据最新实验，两层流体之间的变化温差—例如地球大气层中的气体—对热性能有着很大的影响[1]。冷氦气的温度测量显示当温度波动时，热量流动比静止时更有效。这个效应在理论上已被预测到，但是在实验中观察却很难。一个对这些属性更好的理解能够帮助研究人员发展出更加复杂的行星气候模型并设计出更有效地热交换器——用于加热和冷却多种设备的装置。

地球上的气候模式能被一个简单的设置模拟：夹在两个平板之间的液体，底板比顶板热。底板代表地球温暖的表面；顶板代表着外层空间寒冷的空间。在地面的温暖的流体上升，而在顶部的寒冷的液体下降。漩涡的形成和排列允许流体以向上和向下气流的交替模式流动，就像反向移动的公路交通车道一样。

这个现象是由Lord Rayleigh在1916年意识到的，因为它相对简单，适用于多种自然现象，这个所谓的Rayleigh-Bénard 对流已经成为了一个经典的对流模型。但他却错过了重要的细节。例如，在地球上，地面的温度会变化—在白天温暖而在夜晚凉爽。所以地球的大气对流可以用底板的温度波动的“暂时性调节的 Rayleigh-Bénard对流”。

在2020年，一支由荷兰顿特大学的 Detlef Lohse领导的理论家团队在对流的数值模拟中加入了变化温差[2]。他们发现这个变化增大了在两个面之间热交换的效率。他们对此的解释是，这种变化破坏了靠近板块的所谓流体边界层的稳定性，这就能允许滴状的流体从这两个区域中更轻易的脱离。那些热的液滴能更有效地向上传递热。Lohse及他的同事发现这种调节会使热交换的效率比具有静态温度的设置的多出25%。先前的实验已经在实验室中观察到暂时的调节对流，但仍然没能产出足够大能观察出到像 Lohse和他的同事预测的传热效率提高的变化幅度[3]。

捷克共和国查尔斯大学的LadislavSkrbek和捷克科学院的Pavel Urban以及他们的同事为了验证这些数值预测，使用了一种流体，这种流体允许调节频率和振幅的范围比以前的实验所能实现的范围更广。他们使用加在两个铜板之间的温度在6K以下的氦气，其中一个铜板的温度随时变化。在这种低温环境下，铜的热属性使其对温度的变化尤其敏感，这就使团队能够达到高达0.4K的调节振幅和0.006 Hz至0.2Hz的频率。团队发现这种调节能使热传递效率在广泛的频率范围内增加高达20%。

研究人员在整个低温室安置了12个温度传感器来让他们来观察流动模式的新细节。数据显示热波在流体中传播，几乎没有衰减，证实了早期的预测。

纽约大学的流体物理学家KatepalliSreenivasan 说这个新结果提供了一些先前实验（他和他的同事做的）得不到的信息[3]。除了能改善地球和其他星球上的洋流和气候系统的模拟外，研究人员还认为此项工作能促使热交换器的设计。“如果你能从一个系统中多取走20%的热，这本身就已经很重要了。” 德国伊尔梅瑙理工大学的 JoergSchumacher说。

#文本编辑：

编译：Thomas

排版：NanProud

#参考来源：

原文作者：Katie McCormick

原文网址：https://physics.aps.org/articles/v15/49

#参考文献：

1. P. Urban et al., “Thermal waves and heat transfer efficiency enhancement in harmonically modulated turbulent thermal convection,” Physical Review Letters 128, 134502 (2022).

2. R. Yang et al., “Periodically Modulated Thermal Convection,” Physical Review Letters 125, 154502 (2020).

3. J. J. Niemela and K. R. Sreenivasan, “Formation of the “Superconducting” Core in Turbulent Thermal Convection,” Physical Review Letters 100, 184502 (2008).