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二零一零年一月十一日

中大物理系夏克青教授憑湍流熱對流研究獲頒國家自然科學獎二等獎



香港中文大學(中大)物理系夏克青教授以「湍流熱對流的實驗研究」榮獲二零零九年度國家自然科學獎二等獎,頒獎典禮今天(一月十一日)於北京舉行。

湍流在日常生活中幾乎無處不在,對物體於流體和空氣中的運動起重要作用,並且影響熱能的傳輸。夏克青教授的開創性研究不僅有助解決湍流這一經典物理的重大難題,有助認識地球物理及天體物理體系中的熱對流現象,亦對工程領域中常常遇到的傳熱及散熱問題有指導作用。

湍流熱對流研究為近年備受關注的前沿科學課題,對許多複雜的自然現象具重要意義,如地球磁場對調、大氣環流及海洋環流等。以地球磁場為例,它與人類生活及動物界息息相關 — 船長依靠磁場導航,鳥類及其他動物憑感應磁場辨別方向,一旦磁場調換,將為生態及人類生活帶來莫大影響。

根據岩石中保留的古地磁場記錄,在過去的一億六千萬年中,地磁場的方向已經南北對調了好幾百次,一般認為與地球外核中處於熔融狀態的鐵的湍流熱對流有關,而最近一次調轉則發生在七十八萬年前。由於科學家不可能進入地球核心實地觀測及研究其湍流,因此必須設計有效的湍流熱對流實驗模型,探索其動力學機制,以了解地球磁場不斷變化的原因和變化規律。

夏克青教授為流體湍流領域的專家,其研究闡明了湍流熱對流中大尺度環流的起源及其與熱羽流之間的關係,並解釋驅動大尺度環流的動力學機制。這種環流與地幔及外地核的對流有不少相同之處。他亦率先測量了大尺度環流面的角向運動,並揭示其運動規律,發現大尺度環流反轉的現象,與地磁場的反轉具有類似的統計特性,為地球核心的湍流所產生的地磁場及地磁場調換提供了新知識。

夏教授的高普朗特數對流傳熱研究,對於解決湍流熱對流領域中懸而未決的問題至為關鍵。夏教授在三個數量級的普朗特數範圍內,精確地測量了熱傳輸效率和普朗特數的依賴關係。此項工作否定了一個既有的重要理論預測,並廣被認受為此領域中的重要基準資料,大大增加科學界對湍流傳熱現象的認識。

在湍流熱對流邊界層動力學方面,夏教授亦研發了一套測量對流耦合邊界層內速度場的方法,以精確地測量速度邊界層厚度對一系列參數的依賴關係。該結果已成為理論和數值模擬的重要參考資料。

夏教授就其研究獲得國家肯定,感到十分榮幸:「是次獲獎,表明國家對基礎研究的重視,並充分肯定我們這個科研小組在過去十多年來的努力,為我們帶來莫大激勵。我感謝小組成員及其他合作夥伴對研究的重要貢獻。接下來,我將專注有關水平對流和多相對流的科研工作。水平對流是從海洋環流中抽象出來的理論模型,有助揭示海洋環流的動力學過程,以了解海洋中各種自然現象;而多相對流的研究則有助理解大氣中雨和雲的形成及其變化。」

國家自然科學獎由國務院頒授,是中國在自然科學領域設立的最高榮譽,以表揚科學家對基礎科學研究的卓越成就。二零零九年度共有一百二十七個研究項目獲推薦參選國家自然科學獎,經嚴謹的評審後,二十七個項目獲頒二等獎,夏克青教授的研究即為其一。

過去,中大共有十位教授憑藉卓越的研究成果,獲國家自然科學獎的榮譽,包括:曾兩度獲獎的化學系謝作偉教授(二等獎及三等獎)及生理學系陳小章教授(二等獎及四等獎);獲二等獎的地理與資源管理學系梁怡教授、化學系黃乃正教授、吳奇教授、余濟美教授及化學病理學系盧煜明教授;獲三等獎的化學系麥松威教授及訊息工程學系李東教授;以及四等獎的生理學系黃宜定教授。


中大物理系夏克青教授榮獲二零零九年度國家自然科學獎二等獎
中大物理系夏克青教授榮獲二零零九年度國家自然科學獎二等獎

科學家一般認為,外地核中處於熔融狀態的鐵的湍流熱對流可能導致地球磁場形成及對調 (相片來源:少年維基百科)
科學家一般認為,外地核中處於熔融狀態的鐵的湍流熱對流可能導致地球磁場形成及對調 (相片來源:少年維基百科)

湍流熱對流模擬圖 — 實驗在密封的空間進行,下層的流體加熱後形成熱羽流(紅色)往上升;上層的流體冷卻後則形成冷羽流(藍色)向下降,形成大尺度環流(綠色)
湍流熱對流模擬圖 — 實驗在密封的空間進行,下層的流體加熱後形成熱羽流(紅色)往上升;上層的流體冷卻後則形成冷羽流(藍色)向下降,形成大尺度環流(綠色)



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