更新流體流經表面的確切物理機制,層流、紊流之間還有過渡區

作者 | 發布日期 2020 年 04 月 30 日 17:58 | 分類 尖端科技 , 材料 Telegram share ! follow us in feedly


利用流體流經表面來幫助降溫、升溫的過程常見於日常生活中,然而其確切機制可能被簡化了。麻省理工學院團隊最新實驗數據表明,其實在過往教科書上闡述的「層流突然變成紊流」特性,過程中還夾雜著一段過渡區──那些書上沒教、但專業工程師可能會知道的現象。

當水或空氣緊沿著平坦的固體薄片流動時,會因黏滯力而形成薄薄的邊界層(boundary layer),當流速很小時,流體會分層流動、互不混合,稱為層流(laminar flow),最靠近物體表面的地方由於摩擦力效應,水幾乎不移動(流速為 0),離表面越遠的分層流速越快、直至達到原本流速;而當流速增加到很大時,層流流線不再清晰可辨,流場中開始出現許多小漩渦,稱為紊流(turbulent flow,又稱湍流)。

邊界層特性決定了流體的傳熱能力,這對許多依賴冷卻(如高性能電腦、海水淡化廠、發電廠冷凝器等)的儀器設備來說至關重要,過去 60、70 年來,工程專業的教科書都教導學生去計算層流突然變成紊流的流體特性。

然而麻省理工學院機械工程學教授 John Lienhard 團隊最新的實驗數據發現,層流和湍流之間存在明顯過渡帶,過去大家可能都忽略了該轉變過程的複雜性。

過去 60、70 年來,層流突然過渡至紊流的概念在教科書中根深蒂固,雖然多數從事此類系統工作的工程師們都知道,層流和湍流轉變之間確實存在一個本科教材上都沒教過的較長過渡區,在過渡區內,流體阻力為逐漸變化而非驟變。

這項發現能幫助計算更複雜的流體力學現象,簡單來說,讓相關領域的工程師們更「學以致用」些,而不是靠專業去「領悟」那些教科書上沒教過的現象;此外,這也能影響熱交換器、噴射發動機等設備的精確度。

新論文發表在《Heat Transfer》期刊。

(首圖來源:麻省理工學院