第二章場協同原理及應用

fieldsynergyprinciple1.1概述場協同原理為后面介紹的各種強化傳熱方法提供理論基礎。強化傳熱的著眼點傳熱系數K傳熱面積F傳熱溫差Δtm傳統理論解釋強化傳熱的物理機制：壁面與中心流體的混合邊界層減薄二次流、湍流普遍存在的問題：傳熱獲得強化的同時，阻力也相應增大。有些強化傳熱技術的機制不能解釋或解釋不清狹義翅片,緊湊逆流2023/2/31新的強化傳熱技術（第三代/第四代）三維肋三維粗糙元縱向渦發生器復合強化等需要有基于新概念的創新性強化傳熱技術場協同原理能統一認識現有各種對流換熱強化的物理本質，指導發展新的傳熱強化技術（高效低阻）。2023/2/322.2對流傳熱的物理機制傳統觀點：由于流體的宏觀運動能攜帶熱量，所以對流換熱的熱量傳遞速率高于純導熱時的傳遞速率。以下從另一角度審視。2.2.1對流換熱中有流體運動時的導熱以二維平板層流邊界層問題為例2023/2/33層流邊界層的能量守恒方程導熱的能量守恒方程對流換熱可以比擬為具有內熱源的導熱問題，兩邊積分得內熱源強度熱邊界層厚度x截面處熱源總和x處壁面熱流希望右邊大，就得左邊大！2023/2/34同理可得三維邊界層問題的對流換熱能量方程移項后積分得對流源項總和越大，則對流換熱強度越高。流體加熱固壁時，有熱源可強化，有熱匯則弱化；流體冷卻固壁時，有熱匯可強化，有熱源則弱化。流體溫度高于固壁時，相當于熱源；反之，相當于熱匯。對流源項導熱源項真實源項有放熱化學反應的流體加熱冷壁時，對流換熱能強化?？諝饫鋮s器中噴水蒸發時，能強化換熱。2023/2/352.2.2對流換熱控制和強化的途徑將二維熱邊界問題式(2a)中的左邊對流項改寫為矢量形式引入無因次變量整理得速度矢量返回2023/2/36被積因子其中β是速度矢量與溫度梯度矢量（熱流矢量）的夾角。由式(6)可見，換熱強化有3方面的途徑：提高Re數提高Pr數增加無因次積分值。其物理意義是x處熱邊界層內的無因次熱源強度的總和增大被積函數的數值，就能增加I值新途徑：當β<90°時，減小速度矢量和熱流矢量的夾角。2023/2/372.3對流換熱中的場協同原理2.3.1場分析兩個矢量場：速度場溫度梯度場或者三個標量場速度絕對值場溫度梯度絕對值場夾角余弦場2023/2/382.3.2場協同數由式(6)可見，在流速和流體的物理性質給定的條件下，邊界上的熱流取決于流動當量熱源強度，或者在Re數、Pr數一定時，Nu數取決于無因次流動當量熱源。取決于速度場、熱流場本身，以及它們之間的夾角。式(6)中的積分值高則速度場與熱流場協同較好。速度矢量與溫度梯度矢量的夾角余弦值盡可能大；流體速度剖面和濕度剖面盡可能均勻；盡可能使三個標量場中的大值與大值搭配，也就是說要使三個標量場的大值盡可能同時出現在整個場中某些域上。2023/2/39定義對流換熱的場協同數鑒于無因次積分中cosβ總是小于1，當Fc=1時速度場與熱流場完全協同。這是對流換熱強度的上限。實際情況低了1~2個數量級，說明有很大潛力。Fc隨著Re增大而減小。平板層流邊界層平板湍流邊界層湍流管內流動2023/2/3102.3.4場協同原理及其適用性表述：對流換熱的性能不僅取決于流體的速度和物性以及流體與固壁的溫差，而且還取決于流體速度場與流體熱流場間的協同程度。在相同的速度和溫度邊界條件下，它們的協同程度愈好，則換熱強度就愈高。適用性：從邊界層(拋物型)流動→回流型(橢圓型)流動；從層流流動→湍流流動；從穩態流動→一維瞬態流動；從單股流流動→兩股(多股)流換熱器2023/2/3112.4場協同原理的應用1)充分發展的圓管層流換熱問題等壁溫邊界條件圓管內層流換熱的NuT=3.66；等熱流邊界條件圓管內層流換熱的Nuq=4.36。傳統解釋：等熱流邊界條件時，管內流體在壁面處的溫度梯度更大些。場協同理論的解釋：將數值計算的兩者之等溫線比較：2023/2/312充分發展流的流線均平行于軸線。熱流方向垂直于等溫線，并朝向低溫方向。等壁溫：壁面處速度矢量與熱流矢量的夾角β為90°。等熱流：壁面處速度矢量與熱流矢量的夾角β小于90°。夾角微小的變化就可形成Nu數較大的差異。2023/2/3132)壁面可穿透的平板邊界層（等溫壁面有垂直于主流方向的流體進入或逸出）。當壁面處流體吹進主流時，阻力和換熱系數減小；當流體從壁面處被吸出時，阻力和換熱系數將增大。壁面處的垂直方向流速vw與主流U相比很小時有如下分析解（相似解）-0.45-0.250+0.25+0.375c0.9450.5230.3320.1650.094吹進主流吸出主流2023/2/314傳統解釋：當流體被抽吸時，溫度邊界層變薄，從而壁面溫度梯度增大。場協同解釋：當流體被抽吸時，兩矢量的夾角β減小，相當于熱源強度增加，換熱強化；而當壁面噴吹流體時，使β增大，且壁面附近處β＞90°,此時流動起熱匯作用,換熱減弱。2023/2/315又如沖擊射流為什么能強化換熱？沿流向的正壓力梯度為何能提高對流換熱系數？等等都可從速度與熱流矢量夾角減小找到原因。這樣對于對流換熱的物理機制和傳熱強化的原因就有更深入和本質的認識2023/2/3163）平行平板間對流換熱（反面例子）平行平板間對流換熱示意圖a.入口處速度剖面均勻b.上部被加熱,下部被冷卻c.溫度剖面趨于線性分布速度充分發展后，流線是平行于平板的，即流線與等溫線平行，通道內的速度矢量與溫度梯度矢量的夾角為90°。積分為零，溫度線性分布式(4)2023/2/3172.5發展強化傳熱的新方法和新技術對流換熱中流場與溫度場是耦合的，改善場的協同雖然不容易，但還是有可能的。三個方面：改變熱邊界條件。在邊界熱流一定時，使邊界熱流沿流向增加的分布就能強化傳熱。在溫度邊界條件的情況下，平均溫度相同時（流體被加熱時，如能布置壁溫沿流向升高時，傳熱就能強化。改變速度分布。有意識地通過速度邊界條件的改變使速度和熱流矢量的夾角減小，或者使三個標量場的配合更好，從而強化傳熱。特殊的肋或插入物。2023/2/3181）交叉縮放橢圓截面管清華大學孟繼安采用周期性改變橢圓截面放置，從而改變管內流場。相鄰2個橢圓管的長軸（短軸）相互垂直，交接處形成2個方向交替收縮和擴張。2023/2/3192）纖毛肋它不是為了增加傳熱面積，也不是為了增加湍流度。由高導熱組成，金屬絲與管徑相比很細，與管壁接觸好的稱為纖毛肋，如不完全接觸的則稱為纖毛狀插入物。很稀疏地布置在管內，填充率僅為0.5%~1.0%。其主要作用是使流體的徑向溫度均勻化，改善協同。在同功耗條件下，換熱強化可達200%以上（Re<2000）。2023/2/3203）二維順排板束與平板通道的比較,層流L1=L2=L，H1=H2=2/3,H1/L1=0.4等壁溫邊界條件，Pr=0.72023/2/3214）二維叉排板束與平板通道的比較,層流H=L，t=H/32023/2/3225）二維波紋型通道與平直通道對比,層流Rm/S=0.6,L/S=1.84,H/S=0.62023/2/3236)二維漸擴－漸縮通道與平板通道的對比,層流Hmax/Hmin=2,L/Hmin=32023/2/3247）流體縱掠二維順排平行板束的湍流換熱L1=L2，H/L1=1，

d/L1=0.2~0.4,2023/2/3258）流體縱掠二維叉排平行板束的湍流換熱幾何尺度與順排板束相同2023/2/3269）內環肋管道中的湍流換熱肋高比H/D=0.1，0.2；肋距比P/H=15、10、8等；W=H2023/2/32710）翅片作用的分析翅片管2023/2/32810）翅片作用的分析（續）有翅片通道無翅片通道2023/2/32911）開縫翅片開縫位置影響分析“前疏后密”法則