烧水的时候，容器底部的液体首先受热膨胀并携带着热量上浮——这种流体运动被称为“热对流”，是一种较为高效的热量传输方式。有效地控制热对流，调节液体中的热量传输，是流体力学和热工学领域近年来的一个重点研究方向，具备广泛应用前景。例如，可通过精确控制建筑内的热对流来调节通风量，从而节省能源。
近日，上海纽约大学数学助理教授黄金紫及物理学和数学教授张骏提出了控制热对流的新方法：通过施加横向热流，实现对整个流动系统的有效调控。该项研究已发表在该领域知名国际期刊Journal of Fluid Mechanics。
热流、电流和水流之间有许多相似之处。在电磁系统中，对电流的控制可以通过“三极管”来实现。这一电子元件存在于所有集成电路、即俗称的“芯片”当中，它是现代电子设备的核心器件。黄金紫教授说：“我们的研究在流体系统中展开，目的是探索能否实现类似于‘热三极管’的机制，进而控制热流。”
黄金紫教授解释道，以往的传热研究中，通常会使用机械装置加速热对流过程，好比使用搅拌棒让热水加速变凉。“本次研究中提出的新方法不需要使用任何移动装置，而是通过输入一股横向热流来控制整个环流系统——我们对限制液体的两个侧面分别进行加热和制冷，从而产生横向热流。在这个过程中，受热的液体从一侧上浮、较冷的液体则从另一侧下沉，加强了热对流运动。我们可以通过调节这股横向热流，实现对整个环流系统的精准控制。”
热流控制机制图解
团队通过数值模拟来对大量参数进行计算，系统地研究了新机制的动力学和热学特性，证实了该系统能够增强液体环流并提升热量传输效率。“本次研究证明了‘热三极管’这一机制的可行性。通过调节‘热流信号’（即所输入的横向热流）便可以控制热对流的传热效率。” 张骏教授说，“当前，我们的实验室正在进一步研究这一新机制，并初步构建起了‘热三极管’的实验模型。我们也希望在未来的研究中探索制造‘热电路’的可能性，增进热学与电学间的联系。”