我們的(de)日常經驗表明(míng)，當寒流在下(xià)降時(shí)暖流在上升。這(zhè)種衆所周知的(de)物(wù)理(lǐ)現象簡單的(de)描述了(le)熱(rè)對(duì)流過程的(de)原理(lǐ)，這(zhè)樣的(de)過程不僅出現在自然界中也(yě)同樣出現在技術應用(yòng)裏。在自然界裏，地球大(dà)氣内部的(de)溫差會引起的(de)湍流對(duì)流，其特征是無特征且混沌的(de)空氣運動，這(zhè)使得(de)預測連續幾天的(de)天氣變得(de)困難。

近年來(lái)，出現了(le)很多(duō)顯著大(dà)規模和(hé)長(cháng)時(shí)間對(duì)流模式存在的(de)報道[1]，[2]。這(zhè)些所謂的(de)上層結構主宰著(zhe)未來(lái)的(de)熱(rè)量和(hé)質量轉移，并可(kě)能導緻氣流的(de)很大(dà)波動。這(zhè)些上層結構是否有助于特殊天氣情況？這(zhè)仍然知之甚少。

在德國伊爾默瑙理(lǐ)工大(dà)學熱(rè)力學和(hé)流體力學研究所，科學家們正在研究熱(rè)驅動流。該小組通(tōng)過使用(yòng)數值模拟和(hé)實驗方法研究了(le)，在這(zhè)些流動中演化(huà)出的(de)大(dà)量模式和(hé)旋渦的(de)大(dà)小和(hé)動力學參量。

The Rayleigh-Bénard cell（瑞利-伯納德裝置）經常被用(yòng)于實驗。該模型實驗讓科學家通(tōng)過分(fēn)别加熱(rè)和(hé)冷(lěng)卻頂部和(hé)底部的(de)闆層，在邊界條件下(xià)引發熱(rè)對(duì)流。如果兩塊闆之間出現高(gāo)溫差，則在裝置内部會形成湍流，這(zhè)樣在時(shí)間和(hé)空間則表現出與地球大(dà)氣流動相似的(de)特性。

除了(le)數值模拟，該小組還(hái)進行了(le)實驗以獲取有關上層結構的(de)起源和(hé)動力學的(de)詳細信息。爲了(le)确定它們對(duì)熱(rè)量和(hé)質量傳遞的(de)影(yǐng)響，必須同時(shí)測量速度和(hé)溫度分(fēn)布。爲此，該小組使用(yòng)熱(rè)緻變色液晶（TLC）作爲示蹤劑顆粒。

當TLC被白光(guāng)照(zhào)亮時(shí)，溫度分(fēn)布可(kě)以通(tōng)過其顔色确定。當使用(yòng)粒子圖像測速法（PIV）時(shí)，速度分(fēn)布可(kě)以通(tōng)過确定TLC在流體中的(de)運動來(lái)評估。

除了(le)新的(de)評估方法外，例如 基于神經網絡[3]，超連續譜激光(guāng)器的(de)重大(dà)技術進步也(yě)促進湍流對(duì)流的(de)實驗研究，因爲這(zhè)些光(guāng)源提供了(le)超強且空間相幹的(de)白光(guāng)激光(guāng)束，從而能夠以非常高(gāo)的(de)空間分(fēn)辨率同時(shí)測量溫度和(hé)速度[4]。

該小組建立了(le)一個(gè)由裝滿水(shuǐ)的(de)小圓柱狀Rayleigh-Bénard cell組成的(de)基于超連續譜激光(guāng)SUPERK LASER的(de)RAYLEIGH-BÉNARD對(duì)流實驗裝置實驗（請參見如下(xià)圖），用(yòng)于研究白光(guāng)激光(guāng)器對(duì)速度場(chǎng)和(hé)溫度場(chǎng)的(de)即時(shí)測量。超連續譜激光(guāng)器（SuperK EXTREME EXR-20，NKT Photonics）與光(guāng)學短通(tōng)濾光(guāng)片（SuperK SPLIT，NKT Photonics）耦合後，通(tōng)過産生500 nm的(de)薄光(guāng)層，對(duì)懸浮的(de)TLC進行白光(guāng)照(zhào)明(míng)。

實驗裝置由具有懸浮熱(rè)緻變色液晶（TLC）的(de)Rayleigh-Bénard cell組成，可(kě)由超連續譜激光(guāng)器産生的(de)薄光(guāng)層照(zhào)亮。一台色敏相機用(yòng)于檢測從TLC散射的(de)光(guāng)。

在下(xià)面的(de)畫(huà)面中，您将看到白光(guāng)激光(guāng)器（SuperK EXTREME，NKT Photonics）如何從左側照(zhào)亮懸浮在Rayleigh-Bénard cell内水(shuǐ)中的(de)熱(rè)緻變色液晶（R20C20W型TLC，LCR Hallcrest）。

TLC既充當示蹤劑顆粒又充當溫度傳感器。不但可(kě)通(tōng)過應用(yòng)“粒子圖像測速”（PIV）确定了(le)粒子位移，還(hái)通(tōng)過評估其反射色可(kě)獲取TLC的(de)溫度。

需要注意的(de)是，配色方案與直覺相反：冷(lěng)的(de)紅色羽流下(xià)降，而熱(rè)的(de)藍色羽流上升。

參考文獻

[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-Bénard 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]  König, 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).