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二零一零年一月十一日

中大物理系夏克青教授凭湍流热对流研究获颁国家自然科学奖二等奖



香港中文大学(中大)物理系夏克青教授以「湍流热对流的实验研究」荣获二零零九年度国家自然科学奖二等奖,颁奖典礼今天(一月十一日)于北京举行。

湍流在日常生活中几乎无处不在,对物体于流体和空气中的运动起重要作用,并且影响热能的传输。夏克青教授的开创性研究不仅有助解决湍流这一经典物理的重大难题,有助认识地球物理及天体物理体系中的热对流现象,亦对工程领域中常常遇到的传热及散热问题有指导作用。

湍流热对流研究为近年备受关注的前沿科学课题,对许多复杂的自然现象具重要意义,如地球磁场对调、大气环流及海洋环流等。以地球磁场为例,它与人类生活及动物界息息相关 — 船长依靠磁场导航,鸟类及其他动物凭感应磁场辨别方向,一旦磁场调换,将为生态及人类生活带来莫大影响。

根据岩石中保留的古地磁场记录,在过去的一亿六千万年中,地磁场的方向已经南北对调了好几百次,一般认为与地球外核中处于熔融状态的铁的湍流热对流有关,而最近一次调转则发生在七十八万年前。由于科学家不可能进入地球核心实地观测及研究其湍流,因此必须设计有效的湍流热对流实验模型,探索其动力学机制,以了解地球磁场不断变化的原因和变化规律。

夏克青教授为流体湍流领域的专家,其研究阐明了湍流热对流中大尺度环流的起源及其与热羽流之间的关系,并解释驱动大尺度环流的动力学机制。这种环流与地幔及外地核的对流有不少相同之处。他亦率先测量了大尺度环流面的角向运动,并揭示其运动规律,发现大尺度环流反转的现象,与地磁场的反转具有类似的统计特性,为地球核心的湍流所产生的地磁场及地磁场调换提供了新知识。

夏教授的高普朗特数对流传热研究,对于解决湍流热对流领域中悬而未决的问题至为关键。夏教授在三个数量级的普朗特数范围内,精确地测量了热传输效率和普朗特数的依赖关系。此项工作否定了一个既有的重要理论预测,并广被认受为此领域中的重要基准资料,大大增加科学界对湍流传热现象的认识。

在湍流热对流边界层动力学方面,夏教授亦研发了一套测量对流耦合边界层内速度场的方法,以精确地测量速度边界层厚度对一系列参数的依赖关系。该结果已成为理论和数值模拟的重要参考资料。

夏教授就其研究获得国家肯定,感到十分荣幸:「是次获奖,表明国家对基础研究的重视,并充分肯定我们这个科研小组在过去十多年来的努力,为我们带来莫大激励。我感谢小组成员及其他合作伙伴对研究的重要贡献。接下来,我将专注有关水平对流和多相对流的科研工作。水平对流是从海洋环流中抽象出来的理论模型,有助揭示海洋环流的动力学过程,以了解海洋中各种自然现象;而多相对流的研究则有助理解大气中雨和云的形成及其变化。」

国家自然科学奖由国务院颁授,是中国在自然科学领域设立的最高荣誉,以表扬科学家对基础科学研究的卓越成就。二零零九年度共有一百二十七个研究项目获推荐参选国家自然科学奖,经严谨的评审后,二十七个项目获颁二等奖,夏克青教授的研究即为其一。

过去,中大共有十位教授凭藉卓越的研究成果,获国家自然科学奖的荣誉,包括:曾两度获奖的化学系谢作伟教授(二等奖及三等奖)及生理学系陈小章教授(二等奖及四等奖);获二等奖的地理与资源管理学系梁怡教授、化学系黄乃正教授、吴奇教授、余济美教授及化学病理学系卢煜明教授;获三等奖的化学系麦松威教授及讯息工程学系李东教授;以及四等奖的生理学系黄宜定教授。


中大物理系夏克青教授荣获二零零九年度国家自然科学奖二等奖
中大物理系夏克青教授荣获二零零九年度国家自然科学奖二等奖

科学家一般认为,外地核中处于熔融状态的铁的湍流热对流可能导致地球磁场形成及对调 (相片来源:少年维基百科)
科学家一般认为,外地核中处于熔融状态的铁的湍流热对流可能导致地球磁场形成及对调 (相片来源:少年维基百科)

湍流热对流模拟图 — 实验在密封的空间进行,下层的流体加热后形成热羽流(红色)往上升;上层的流体冷却后则形成冷羽流(蓝色)向下降,形成大尺度环流(绿色)
湍流热对流模拟图 — 实验在密封的空间进行,下层的流体加热后形成热羽流(红色)往上升;上层的流体冷却后则形成冷羽流(蓝色)向下降,形成大尺度环流(绿色)



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