利用流体流经表面来帮助降温、升温的过程常见于日常生活中,然而其确切机制可能被简化了。麻省理工学院团队最新实验数据表明,其实在过往教科书上阐述的“层流突然变成紊流”特性,过程中还夹杂着一段过渡区──那些书上没教、但专业工程师可能会知道的现象。
当水或空气紧沿着平坦的固体薄片流动时,会因黏滞力而形成薄薄的边界层(boundary layer),当流速很小时,流体会分层流动、互不混合,称为层流(laminar flow),最靠近物体表面的地方由于摩擦力效应,水几乎不移动(流速为 0),离表面越远的分层流速越快、直至达到原本流速;而当流速增加到很大时,层流流线不再清晰可辨,流场中开始出现许多小漩涡,称为紊流(turbulent flow,又称湍流)。
边界层特性决定了流体的传热能力,这对许多依赖冷却(如高性能电脑、海水淡化厂、发电厂冷凝器等)的仪器设备来说至关重要,过去 60、70 年来,工程专业的教科书都教导学生去计算层流突然变成紊流的流体特性。
然而麻省理工学院机械工程学教授 John Lienhard 团队最新的实验数据发现,层流和湍流之间存在明显过渡带,过去大家可能都忽略了该转变过程的复杂性。
过去 60、70 年来,层流突然过渡至紊流的概念在教科书中根深蒂固,虽然多数从事此类系统工作的工程师们都知道,层流和湍流转变之间确实存在一个本科教材上都没教过的较长过渡区,在过渡区内,流体阻力为逐渐变化而非骤变。
这项发现能帮助计算更复杂的流体力学现象,简单来说,让相关领域的工程师们更“学以致用”些,而不是靠专业去“领悟”那些教科书上没教过的现象;此外,这也能影响热交换器、喷射发动机等设备的精确度。
新论文发表在《Heat Transfer》期刊。
- Understanding how fluids heat or cool surfaces
(首图来源:麻省理工学院)