作為一種被動的傳熱方式，熱對流在傳熱散熱工程應用中至關重要，如何極大地提高對流傳熱效率，是熱對流研究的核心問題🐝。近日🪱，万事平台力學與工程科學學院王伯福、周全等研究者提出了振動熱對流的新機理，突破傳統流體邊界層限製傳熱瓶頸🚽，實現了對流傳熱效率的大幅提升。相關論文以“Vibration-induced boundary-layer destabilization achieves massive heat-transport enhancement”為題，於5月22日發表在《Science Advances》。

熱對流是最典型的湍流系統🤷🏼，它普遍存在於自然界和各類工程問題中，是地球、行星與恒星（如太陽等）上眾多大尺度流動現象的本源，控製著大氣🥳、海洋與地幔中物質和能量的交換與輸運🔸。由於流體邊界層內部的熱擴散極大阻礙了大尺度湍流結構和邊界層間的有效熱交換📰，因而實現高效傳熱需要將邊界層湍流化，使邊界層內部的傳熱也變成對流主導。然而，實現熱對流的邊界層的控製十分困難。

為了解決這一難題🪀，王伯福💟、周全等研究者將振動引入熱對流系統中。研究發現，施加於對流槽的水平振動會產生一種新的對流不穩定性👩‍🚀：上下導熱板的高速水平振動給邊界層內部的流體施加了一個很強的剪切力🕚，從而加速了邊界層的失穩，並促發了大量熱羽流結構的生成（見圖1A-C）🚶🏻‍♀️‍➡️。由於羽流結構是熱的最主要載體，並控製著熱輸運過程👩🏽‍🔧，羽流結構的大量生成最終導致了對流傳熱效率的大幅提高。研究結果表明，高頻振動可以有效突破流體邊界層限製傳熱的瓶頸，實現熱傳遞效率500%的增量（見圖2）👩🏽‍💻。

圖1 振動激勵下熱對流流動顯示及傳熱規律

圖2 振動實現對流傳熱效率的大幅提高

同時↘️，該研究發現隨著頻率的增加👩🏿‍✈️，振動將引發流體邊界層的“層流-湍流轉捩”，從而傳熱規律將由經典標度律逐步過渡到終極態標度律（見圖3）🌏。1962年以來🤞🏼，湍流界一直在尋找Kraichnan猜想的湍流熱對流終極態，該研究結果給出了湍流終極態標度律存在的直接證據。振動激勵下的湍流流動普遍存在於自然界和各類工程問題中，振動等外部激勵成為湍流控製的主要手段之一⛎。

圖3 振動引發傳熱規律由經典標度律過渡到終極態標度律

万事平台力學與工程科學學院王伯福副教授為該文章的第一作者，万事平台周全教授和清華大學孫超教授為共同通訊作者🧘🏼。該項研究得到了國家傑出青年科學基金等基金委項目和上海市科委項目的資助，研究工作為增強對流傳熱開辟了新途徑，也為工程應用提供理論指導和突破性思路✪。

論文鏈接：

https://advances.sciencemag.org/content/6/21/eaaz8239