我們的日常經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)寒流在下降時(shí)暖流在上升。這種眾所周知的物理現(xiàn)象簡(jiǎn)單的描述了熱對(duì)流過(guò)程的原理，這樣的過(guò)程不僅出現(xiàn)在自然界中也同樣出現(xiàn)在技術(shù)應(yīng)用里。在自然界里，地球大氣內(nèi)部的溫差會(huì)引起的湍流對(duì)流，其特征是無(wú)特征且混沌的空氣運(yùn)動(dòng)，這使得預(yù)測(cè)連續(xù)幾天的天氣變得困難。

近年來(lái)，出現(xiàn)了很多顯著大規(guī)模和長(zhǎng)時(shí)間對(duì)流模式存在的報(bào)道[1]，[2]。這些所謂的上層結(jié)構(gòu)主宰著地球的熱量和質(zhì)量轉(zhuǎn)移，并可能導(dǎo)致氣流的很大波動(dòng)。這些上層結(jié)構(gòu)是否有助于特殊天氣情況？這仍然知之甚少。

在德國(guó)伊爾默瑙理工大學(xué)熱力學(xué)和流體力學(xué)研究所，科學(xué)家們正在研究熱驅(qū)動(dòng)流。該小組通過(guò)使用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法研究了，在這些流動(dòng)中演化出的大量模式和旋渦的大小和動(dòng)力學(xué)參量。

The Rayleigh-B nard cell（瑞利-伯納德裝置）經(jīng)常被用于實(shí)驗(yàn)。該模型實(shí)驗(yàn)讓科學(xué)家通過(guò)分別加熱和冷卻頂部和底部的板層，在邊界條件下引發(fā)熱對(duì)流。如果兩塊板之間出現(xiàn)高溫差，則在裝置內(nèi)部會(huì)形成湍流，這樣在時(shí)間和空間則表現(xiàn)出與地球大氣流動(dòng)相似的特性。

除了數(shù)值模擬，該小組還進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)以獲取有關(guān)上層結(jié)構(gòu)的起源和動(dòng)力學(xué)的詳細(xì)信息。為了確定它們對(duì)熱量和質(zhì)量傳遞的影響，必須同時(shí)測(cè)量速度和溫度分布。為此，該小組使用熱致變色液晶（TLC）作為示蹤劑顆粒。

當(dāng)TLC被白光照亮?xí)r，溫度分布可以通過(guò)其顏色確定。當(dāng)使用粒子圖像測(cè)速法（PIV）時(shí)，速度分布可以通過(guò)確定TLC在流體中的運(yùn)動(dòng)來(lái)評(píng)估。

除了新的評(píng)估方法外，例如 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[3]，超連續(xù)譜激光器的重大技術(shù)進(jìn)步也促進(jìn)湍流對(duì)流的實(shí)驗(yàn)研究，因?yàn)檫@些光源提供了超強(qiáng)且空間相干的白光激光束，從而能夠以非常高的空間分辨率同時(shí)測(cè)量溫度和速度[4]。

該小組建立了一個(gè)由裝滿(mǎn)水的小圓柱狀Rayleigh-B nard cell組成的基于超連續(xù)譜激光SUPERK LASER的RAYLEIGH-B NARD對(duì)流實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)（請(qǐng)參見(jiàn)如下圖），用于研究白光激光器對(duì)速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的即時(shí)測(cè)量。超連續(xù)譜激光器（SuperK EXTREME EXR-20，NKT Photonics）與光學(xué)短通濾光片（SuperK SPLIT，NKT Photonics）耦合后，通過(guò)產(chǎn)生500 nm的薄光層，對(duì)懸浮的TLC進(jìn)行白光照明。

實(shí)驗(yàn)裝置由具有懸浮熱致變色液晶（TLC）的Rayleigh-B nard cell組成，可由超連續(xù)譜激光器產(chǎn)生的薄光層照亮。一臺(tái)色敏相機(jī)用于檢測(cè)從TLC散射的光。

在下面的畫(huà)面中，您將看到白光激光器（SuperK EXTREME，NKT Photonics）如何從左側(cè)照亮懸浮在Rayleigh-B nard cell內(nèi)水中的熱致變色液晶（R20C20W型TLC，LCR Hallcrest）。

TLC既充當(dāng)示蹤劑顆粒又充當(dāng)溫度傳感器。不但可通過(guò)應(yīng)用 粒子圖像測(cè)速 （PIV）確定了粒子位移，還通過(guò)評(píng)估其反射色可獲取TLC的溫度。

需要注意的是，配色方案與直覺(jué)相反：冷的紅色羽流下降，而熱的藍(lán)色羽流上升。

參考文獻(xiàn)

[1]  S. Emran, J. Schumacher, Large-scale mean patterns in turbulent convection, J. Fluid Mech. 776 (2015) 96 108.

[2]  Pandey, J.D. Scheel, J. Schumacher, Turbulent superstructures in Rayleigh-B nard convection, Nat. Commun. 9 (2018) 2118.

[3]  Moller, C. Resagk, C. Cierpka, On the application of neural networks for temperature field measurements using thermochromic liquid crystals. Exp Fluids 61, 111 (2020).

[4]  K nig, S. Moller, N. Granzow, C. Cierpka, On the application of a supercontinuum white light laser for simultaneous measurements of temperature and velocity fields using thermochromic liquid crystals, Exp Therm Fluid Sci 109:109914 (2019).