應(yīng)用分享|超連續(xù)譜激光器如何助力分析和預(yù)測天氣？

我們的日常經(jīng)驗表明，當(dāng)寒流在下降時暖流在上升。這種*的物理現(xiàn)象簡單的描述了熱對流過程的原理，這樣的過程不僅出現(xiàn)在自然界中也同樣出現(xiàn)在技術(shù)應(yīng)用里。在自然界里，地球大氣內(nèi)部的溫差會引起的湍流對流，其特征是無特征且混沌的空氣運動，這使得預(yù)測連續(xù)幾天的天氣變得困難。

近年來，出現(xiàn)了很多顯著大規(guī)模和長時間對流模式存在的報道[1]，[2]。這些所謂的上層結(jié)構(gòu)主宰著未來的熱量和質(zhì)量轉(zhuǎn)移，并可能導(dǎo)致氣流的很大波動。這些上層結(jié)構(gòu)是否有助于特殊天氣情況？這仍然知之甚少。

在德國伊爾默瑙理工大學(xué)熱力學(xué)和流體力學(xué)研究所，科學(xué)家們正在研究熱驅(qū)動流。該小組通過使用數(shù)值模擬和實驗方法研究了，在這些流動中演化出的大量模式和旋渦的大小和動力學(xué)參量。

The Rayleigh-Bénard cell（瑞利-伯納德裝置）經(jīng)常被用于實驗。該模型實驗讓科學(xué)家通過分別加熱和冷卻頂部和底部的板層，在邊界條件下引發(fā)熱對流。如果兩塊板之間出現(xiàn)高溫差，則在裝置內(nèi)部會形成湍流，這樣在時間和空間則表現(xiàn)出與地球大氣流動相似的特性。

除了數(shù)值模擬，該小組還進行了實驗以獲取有關(guān)上層結(jié)構(gòu)的起源和動力學(xué)的詳細(xì)信息。為了確定它們對熱量和質(zhì)量傳遞的影響，同時測量速度和溫度分布。為此，該小組使用熱致變色液晶（TLC）作為示蹤劑顆粒。

當(dāng)TLC被白光照亮?xí)r，溫度分布可以通過其顏色確定。當(dāng)使用粒子圖像測速法（PIV）時，速度分布可以通過確定TLC在流體中的運動來評估。

除了新的評估方法外，例如 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[3]，超連續(xù)譜激光器的重大技術(shù)進步也促進湍流對流的實驗研究，因為這些光源提供了很強且空間相干的白光激光束，從而能夠以非常高的空間分辨率同時測量溫度和速度[4]。

該小組建立了一個由裝滿水的小圓柱狀Rayleigh-Bénard cell組成的基于超連續(xù)譜激光SUPERK LASER的RAYLEIGH-BÉNARD對流實驗裝置實驗（請參見如下圖），用于研究白光激光器對速度場和溫度場的即時測量。超連續(xù)譜激光器（SuperK EXTREME EXR-20，NKT Photonics）與光學(xué)短通濾光片（SuperK SPLIT，NKT Photonics）耦合后，通過產(chǎn)生500 nm的薄光層，對懸浮的TLC進行白光照明。

實驗裝置由具有懸浮熱致變色液晶（TLC）的Rayleigh-Bénard cell組成，可由超連續(xù)譜激光器產(chǎn)生的薄光層照亮。一臺色敏相機用于檢測從TLC散射的光。

在下面的畫面中，您將看到白光激光器（SuperK EXTREME，NKT Photonics）如何從左側(cè)照亮懸浮在Rayleigh-Bénard cell內(nèi)水中的熱致變色液晶（R20C20W型TLC，LCR Hallcrest）。

TLC既充當(dāng)示蹤劑顆粒又充當(dāng)溫度傳感器。不但可通過應(yīng)用“粒子圖像測速”（PIV）確定了粒子位移，還通過評估其反射色可獲取TLC的溫度。

需要注意的是，配色方案與直覺相反：冷的紅色羽流下降，而熱的藍(lán)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).