Control del transporte de calor turbulento mediante la manipulación de estructuras coherentes

Este tema es revisado por el Prof. Ke-Qing Xia (Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur, Shenzhen, China) y sus colaboradores, principalmente en base a su trabajo de investigación durante los últimos diez años.

Siendo el último problema sin resolver en la física clásica, la turbulencia de fluidos ha atraído mucha atención de las comunidades académicas y de ingeniería. A diferencia de los sistemas completamente desordenados, una característica definitoria de los flujos turbulentos es la existencia de estructuras coherentes, que están correlacionadas espacio-temporalmente en una variedad de escalas.

Durante mucho tiempo se ha sabido que estas estructuras coherentes son los principales portadores de masa, cantidad de movimiento y transporte de calor en turbulencia. Sin embargo, debido a las características inherentes de los flujos turbulentos, como una fuerte no linealidad y una fuerte disipación, cómo manipular estructuras coherentes para controlar el transporte turbulento ha sido un problema de larga data.

En la última década, el equipo del Prof. Xia logró avances significativos en este tema. Al realizar una serie de estudios en un sistema canónico de turbulencia térmica, a saber, la convección turbulenta de Rayleigh-Bénard, descubrieron un nuevo mecanismo para ajustar el transporte de calor turbulento a través de la manipulación de estructuras coherentes a través de un confinamiento geométrico simple.

Bajo este mecanismo, la eficiencia de la transferencia de calor está controlada por la coherencia de las estructuras térmicas (caracterizadas por sus propiedades geométricas), en lugar de la intensidad de la turbulencia.

Como resultado, la eficiencia del transporte de calor puede mejorarse significativamente incluso si el flujo resultante es mucho más lento. Muy importante, este mecanismo es fundamentalmente diferente del enfoque predominante de gestión del calor basado en la visión clásica de la turbulencia limitada por la pared, que generalmente se centra en modificar directamente la capa límite dominante de difusión para mejorar o inhibir la transferencia de calor turbulento.

En el artículo de revisión, el profesor Xia y sus colaboradores presentaron y explicaron en detalle la imagen física detrás de este mecanismo recién descubierto y discutieron sus posibles aplicaciones en la gestión térmica pasiva (como la refrigeración de componentes electrónicos).

Además, al presentar ejemplos adicionales de sistemas de turbulencia térmica que están sujetos a varios procesos dinámicos (que incluyen rotación, doble difusión, campo magnético, inclinación, modificación por aditivos poliméricos, etc.), demuestran aún más cómo el marco de la manipulación de estructuras coherentes puede generalizarse para comprender los comportamientos de transporte de calor en sistemas de turbulencia aparentemente diferentes de una manera unificada. Se espera que este mecanismo universal se realice en otros tipos de flujos turbulentos.

Este artículo de revisión también cubre otros avances importantes en este tema de investigación y describe algunas direcciones futuras. Estos no solo brindan una nueva comprensión para las comunidades de investigación de turbulencia y transferencia de calor, sino que también promueven el diseño y desarrollo de sistemas de ingeniería con eficiencias de transporte ajustables.

La obra está publicada en Revista Nacional de Ciencias.