Тепло распространяется по-другому в ограниченном пространстве? Новые знания о конвективном тепле и механике жидкости

Поиск «рецепт фритюрницы» на большинстве платформ социальных сетей, скорее всего, выдаст поток видеороликов о еде, рекламирующих быстрые и легкие идеи для еды. Рынок рекламирует эти устройства как удобный, чистый, быстрый способ разогреть и поджарить еду, что, как правило, является более полезным вариантом по сравнению с использованием обычных фритюрниц.

Однако технология, на которой работают эти современные машины для приготовления еды, не совсем нова. Она основана на простом принципе нагрева, который можно найти в природных системах и который десятилетиями использовался в печах: конвекционное тепло.

Хьюго Ульоа, специалист по гидродинамике из Пенсильванского университета, отмечает, что конвекция обусловлена ​​градиентами температуры, создающими разницу в плотности в системе.

«Представьте себе кастрюлю с водой, нагреваемую снизу; дно становится теплее и менее плотным, вызывая движение во всем водоеме. Этот процесс происходит не только на наших кухнях, но и в различных средах, таких как мантия Земли, океаны и даже наша кожа», — говорит Ульоа.

«Хотя конвекция — хорошо изученное явление в открытых пространствах, таких как атмосфера или океаны, поведение тепла в сверхзамкнутых пространствах остается своего рода загадкой, поскольку оно претерпевает значительные изменения как в структуре потока, так и в эффективности», — говорит он.

Теперь Ульоа вместе с Дайсуке Ното, научным сотрудником Школы искусств и наук, и Хувеналом А. Летельером из Чилийского университета опубликовали статью в журнале Труды Национальной академии наук исследуя конвекцию в ее наименьшем масштабе. Исследователи исследовали, как ведут себя жидкости и как передается тепло в средах, которые являются сверхограниченными, раскрывая фундаментальные знания о правилах, управляющих механикой жидкости.

«Дайсукэ обнаружил, что эффективность теплопередачи может быть как повышена, так и понижена в зависимости от степени ограничения и конкретных условий потока жидкости», — говорит Уллоа.

«Эти результаты не только решают давние проблемы в нашей области, но и могут проложить путь к более эффективному сбору геотермальной энергии, биомедицинским устройствам, которым требуется точный контроль тепла для смешивания соединений, или в компьютерных системах охлаждения, которые становятся все более мощными и, как следствие, прожорливыми и рассеивающими все больше тепла».

Для исследования конвекции в этих новых масштабах Ното и Ульоа концептуализировали и спроектировали серию экспериментов с использованием устройства, известного как ячейка Хеле-Шоу, которая состоит из двух вертикально выровненных параллельных пластин с узким зазором между ними, внутренняя жидкость которых нагревается снизу и охлаждается сверху. Размеры зазоров варьировались от 2 мм до 4 мм, а градиенты температур составляли от 1 °C до 30 °C. Манипулируя градиентом температуры и размером зазора, ученые смогли наблюдать, как изменяются тепло и движение жидкости по мере увеличения уровня ограничения.

«То, что мы обнаружили, просто захватывающе», — говорит Ното. «По мере сжатия системы мы видим возникновение тепловых струй — крошечных грибовидных структур, которые отделяются от границ основания и являются основой конвекции, — которые могут быть ограничены боковыми стенками».

Это исследование основывается на предыдущей работе членов команды, где они успешно визуализировали и количественно оценили структуры потока в менее ограниченных средах. «Наши ранние эксперименты дали первую надежную экспериментальную количественную оценку этих структур потока, но в более открытых условиях», — говорит Уллоа. «Эти основополагающие эксперименты позволили нам разработать методологии и теоретические модели, которые мы теперь применяем к этим более ограниченным системам».

Объясняя результаты текущего исследования, он говорит, что струи, в зависимости от их размера относительно зазора, могут либо свободно расти в трехмерном пространстве, либо быть ограничены двумерным потоком.

«Это было долгое обсуждение, и Дайсуке пришел с окончательной блестящей формулировкой», — говорит Уллоа. «Этот переход между трехмерным и двумерным потоком кардинально влияет на то, как передается тепло. По мере уменьшения размера зазора тепловые струи сжимались, что приводило к двумерным потокам, которые используют имеющуюся энергию для эффективной передачи тепла».

«Однако, когда зазор был больше естественного размера струй, струи свободно росли в трехмерном режиме, что приводило к более высокой, но менее эффективной передаче тепла. Это изменение является результатом крошечных и локализованных вихревых структур, создаваемых струями на границах. Что интересно, так это то, что эта маленькая трехмерная структура, живущая на границах, приводит к большим изменениям в том, как передается тепло. Мы наблюдали это экспериментально и разработали теорию для этого состояния».

Это понимание позволило команде разработать новую метрику — степень ограничения Λ (лямбда), которая количественно определяет степень ограничения и его влияние на динамику жидкости и теплопередачу.

«Это исследование заполняет значительный пробел в наших знаниях», — говорит Уллоа. «Теперь мы лучше понимаем, как теплопередача ведет себя в средах, которые не являются ни полностью трехмерными, ни полностью ограниченными, как пористые среды. Это понимание имеет решающее значение для целого ряда приложений, от извлечения геотермальной энергии до разработки более устойчивых технологий».

Заглядывая вперед, Ульоа и его команда планируют свое следующее исследование, которое будет основываться на знаниях, полученных при изучении конвекции в этом новом масштабе, поскольку они сосредоточатся на том, как конвективные процессы в замкнутых системах влияют на смешивание физических свойств, таких как тепло и другие вещества в жидкости, такие как минералы, питательные вещества или газы, такие как кислород и метан.

«Следующий шаг — понять не только, как перемещается тепло, но и как другие частицы и соединения переносятся и смешиваются в этих замкнутых средах», — говорит Уллоа.

Целью нового исследования является изучение того, как происходит смешивание растворенных или взвешенных веществ в условиях различной степени изоляции, а также того, как эти процессы влияют на экологические и инженерные приложения.

«Это особенно важно для понимания распределения основных питательных веществ в гидротермальных средах или эффективности использования тепла в промышленных процессах», — говорит Уллоа.