通过操纵相干结构来控制湍流热传输

本课题由夏克清教授(南方科技大学，中国深圳)及其合作者主要根据他们过去十年的研究工作进行综述。

作为经典物理学中最后一个未解决的问题，流体湍流引起了学术界和工程界的广泛关注。与完全无序的系统相比，湍流的一个定义特征是存在相干结构，这些结构在一系列尺度上在空间-时间上相关。

人们早就知道，这些相干结构是湍流中质量、动量和热传输的主要载体。然而，由于湍流具有强非线性和强耗散等固有特性，如何操纵相干结构来控制湍流输运一直是一个长期存在的问题。

在过去的十年里，夏教授的团队在这个问题上取得了重大进展。通过对规范热湍流系统(即湍流瑞利-贝纳德对流)进行一系列研究，他们发现了一种通过简单的几何限制通过相干结构操纵来调节湍流热传输的新机制。

在这种机制下，传热效率由热结构的相干性(以其几何特性为特征)控制，而不是湍流强度。

结果，即使所得的流动慢得多，热传输效率也可以显着提高。非常重要的是，这种机制与基于壁界湍流经典观点的流行热管理方法根本不同，后者通常集中于直接修改扩散主导边界层以增强或抑制湍流传热。

在评论文章中，夏教授和他的合作者介绍并详细解释了这一新发现机制背后的物理图景，并讨论了其在被动热管理(如电子冷却)中的潜在应用。

此外，通过引入受各种动力学过程(包括旋转、双扩散、磁场、倾斜、聚合物添加剂改性等)影响的热湍流系统的额外示例，他们进一步证明了相干结构操纵的框架如何能够被推广以以统一的方式理解看似不同的湍流系统中的热传输行为。这种普遍机制有望在其他类型的湍流中实现。

这篇综述文章还涵盖了该研究课题的其他重要进展，并概述了一些未来的方向。这些不仅为湍流研究和传热领域提供了新的认识，而且还促进了具有可调传输效率的工程系统的设计和开发。

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