文/上海紐約大學 編輯/清風

燒水的時候，容器底部的液體首先受熱膨脹并攜帶著熱量上浮——這種流體運動被稱為“熱對流”，是一種較為高效的熱量傳輸方式。有效地控制熱對流，調節(jié)液體中的熱量傳輸，是流體力學和熱工學領域近年來的一個重點研究方向，具備廣泛應用前景。例如，可通過精確控制建筑內的熱對流來調節(jié)通風量，從而節(jié)省能源。

近日，上海紐約大學數(shù)學助理教授黃金紫及物理學和數(shù)學教授張駿提出了控制熱對流的新方法：通過施加橫向熱流，實現(xiàn)對整個流動系統(tǒng)的有效調控。該項研究已發(fā)表在該領域知名國際期刊Journal of Fluid Mechanics。

熱流、電流和水流之間有許多相似之處。在電磁系統(tǒng)中，對電流的控制可以通過“三極管”來實現(xiàn)。這一電子元件存在于所有集成電路即俗稱的“芯片”當中，它是現(xiàn)代電子設備的核心器件。黃金紫助理教授說：“我們的研究在流體系統(tǒng)中展開，目的是探索能否實現(xiàn)類似于‘熱三極管’的機制，進而控制熱流。”

黃金紫助理教授解釋道，以往的傳熱研究中，通常會使用機械裝置加速熱對流過程，好比使用攪拌棒讓熱水加速變涼?！氨敬窝芯恐刑岢龅男路椒ú恍枰褂萌魏我苿友b置，而是通過輸入一股橫向熱流來控制整個環(huán)流系統(tǒng)——我們對限制液體的兩個側面分別進行加熱和制冷，從而產生橫向熱流。在這個過程中，受熱的液體從一側上浮、較冷的液體則從另一側下沉，加強了熱對流運動。我們可以通過調節(jié)這股橫向熱流，實現(xiàn)對整個環(huán)流系統(tǒng)的精準控制?！?/p>

團隊通過數(shù)值模擬來對大量參數(shù)進行計算，系統(tǒng)地研究了新機制的動力學和熱學特性，證實了該系統(tǒng)能夠增強液體環(huán)流并提升熱量傳輸效率?！氨敬窝芯孔C明了‘熱三極管’這一機制的可行性。通過調節(jié)‘熱流信號’（即所輸入的橫向熱流）便可以控制熱對流的傳熱效率?！?張駿教授說，“當前，我們的實驗室正在進一步研究這一新機制，并初步構建起了‘熱三極管’的實驗模型。我們也希望在未來的研究中探索制造‘熱電路’的可能性，增進熱學與電學間的聯(lián)系。”

▲ 熱流控制機制圖解