Физики узнали много нового о температуре конвекции

Международная группа физиков работала над лучшим пониманием фундаментальных физических законов, которые работают в процессе, известном как конвекция.

Последняя происходит и в котле, где варится вода, и в жидком внешнем ядре Земли. Новое открытие ученых определяет способ, с которым температура газа или жидкости меняется в зависимости от расстояния от источника нагрева в ходе конвекции.

Исследование, как ожидается, в итоге поможет разработчикам с применением в дизайне или системах охлаждения, например, на атомных станциях.

Профессор физики Гюнтер Алерс из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре вместе с коллегами. Результаты опубликованы в издании Physical Review Letters.

Эксперименты проводились в цилиндре, помещенном под башней контейнера с большим давлением. Цилиндр высотой 8 футов был нагрет у основания и охлажден сверху. Внутри было помещено примерно 100 термометров, а давление создавал инертный газ гексафторид серы. Конвекция имела место внутри цилиндра, поскольку в присутствии силы тяжести более теплый газ у основания обычно повышается, а охлажденный газ оседает.

«Нам понравился гексафторид серы, поскольку он не токсичен, химически инертен и потому, что он состоит из тяжелых молекул», сказал Алерс. „Тяжелая молекула позволяет нам производит более энергичную конвекцию с той же температурной разницей. Сила конвекции измеряется параметром под названием число Рэлея. Мы пришли к числу Рэлея в 10-15 миллионов миллиардов, что весьма высоко по нашим стандартам“.

Алерс имел возможность следить за экспериментом и даже управлять им удаленно с помощью компьютера, сидя у себя в лаборатории, которая от места испытаний находится на расстоянии в 5000 миль.

Он пояснил, что конвекция — естественное явление в астрофизике и земных системах. Например, внешний слой солнца состоит из конвекционных клеток. Конвекция наблюдается в атмосфере Земли и океанах. Жидкое железо во внешнем земном ядре подвергается энергичной конвекции, а числа Рэлея там еще больше, от 10 до 20. Эта конвекция формирует магнитное поле Земли.

В статье ученые представили экспериментальные и числовые данные, которые показали, что за исключением очень тонкого слоя вблизи пластин температура этой системы измеряется линейно с логарифмом расстояния от ограничивающих пластин. Они обнаружили этот профиль и измерили его подробно.

Результаты особенно интригуют, поскольку повторяют важное открытие, сделанное Теодором фон Карманом и Людвигом Прандтлем в 1930 году, известное как „Закон стены“. Открытие включало исследование газа или жидкости, текущих вдоль стены, где скорость течения должна равняться нулю у стены из-за трения. Скорость жидкости параллельно стене увеличивается с ростом расстояния от стены. Фон Карман и Прандтл показали более определенно, что скорость возрастает линейно с логарифмом этого расстояния, когда течение достаточно быстрое, чтобы жидкость забурлила. Этот результат называется Законом стены, и он весьма важен во многих технических применениях.

Алерс сравнил новые результаты того, как температура меняется в процессе конвекции, с тем, как скорость меняется с Законом стены, отметив, что они подобны, хотя точно связь только еще предстоит понять.

„Они ведут себя одинаково“, сказал Алерс. „Но только потому, что две вещи выглядят одинаково, еще не значит, что они одинаковы, а потому остается необходимость построения теоретического основания, объединяющего их. Это делает данную область очень активной и захватывающей, и теоретики из Пекина, Марбурга и Твенте перманентно пытаются объяснить экспериментальные результаты. После совершения экспериментального открытия в дело всегда вступают теоретики, и кто знает, что мы получим через полгода“.

Ученый пояснил, как важен Закон стены в технических применениях. „Перекачка нефти из Аляски в США стоит миллиарды долларов“, сказал Алерс. „И если понять, что вызывает сопротивление, которое необходимо преодолеть, то возможно снизить стоимость процесса. Снижение даже на 2-3% — это экономия в сотни миллионов долларов, а потому исследование очень важно“.

Алерс добавил, что понимание температуры в бурной конвекции также весьма важно, поскольку есть масса применений, где бурная конвекция используется для охлаждения. „Существует масса применений системы бурной конвекции в промышленности, где также требуется понять, что происходит внутри и каковы температурные градиенты“, заключил ученый. „Так я смогу увидеть уместность применения этого. Хотя я должен сказать, что это не наша мотивация: мы мотивированы на понимание фундаментальной физики“.

18.09.2012