場(chǎng)協(xié)同原理(傳熱)

傳熱學(xué)作業(yè)---《場(chǎng)協(xié)同原理》航空航天工程學(xué)部04040203班2010040402084蔡莉2013年5月31日?qǐng)鰠f(xié)同原理04040203班2010040402084蔡莉一、內(nèi)容該原理認(rèn)為，在速度場(chǎng)、溫度梯度分布一定的條件下，二者之間的夾角（場(chǎng)協(xié)同角）對(duì)對(duì)流傳熱強(qiáng)度有重要影響，夾角越小，傳熱強(qiáng)度愈高。■場(chǎng)協(xié)同概念：流動(dòng)當(dāng)量熱源不僅取決于速度場(chǎng)、熱流場(chǎng)、夾角場(chǎng)的絕對(duì)值，還取決于這三個(gè)標(biāo)量值的相互搭配。對(duì)流換熱中速度場(chǎng)與熱流場(chǎng)的配合能使無(wú)因次流動(dòng)當(dāng)量熱源強(qiáng)度提高，從而強(qiáng)化傳熱，此時(shí)稱(chēng)速度場(chǎng)與熱流場(chǎng)協(xié)同較好。理論研究表明，流體與壁面之間的換熱率與速度場(chǎng)和溫度梯度場(chǎng)（熱流場(chǎng)）的協(xié)同程度有著密切關(guān)系。當(dāng)換熱系統(tǒng)中的速度場(chǎng)和溫度梯度場(chǎng)達(dá)到充分協(xié)同時(shí)，換熱就達(dá)到最優(yōu)，流體流動(dòng)所需功耗與其換熱率的投入產(chǎn)出比就會(huì)達(dá)到最佳。根據(jù)速度場(chǎng)和溫度梯度場(chǎng)的協(xié)同程度，表征對(duì)流換熱強(qiáng)度的準(zhǔn)則數(shù)Nusselt數(shù)存在著上限和下限，分別是Nu=Re-Pr和Nu=0,一般換熱結(jié)構(gòu)的換熱率均處在此上、下限之間.該理論被稱(chēng)為場(chǎng)協(xié)同理論，它的建立無(wú)疑對(duì)強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展有重要促進(jìn)作用。強(qiáng)化能量的傳遞與轉(zhuǎn)換過(guò)程是人們所關(guān)注的重要課題，幾十年來(lái)人們進(jìn)行了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究，取得了很大的進(jìn)展并獲得實(shí)際的應(yīng)用。然而，在研究其強(qiáng)化機(jī)制方面一直缺乏統(tǒng)一的理論。例如，在研究強(qiáng)化對(duì)流熱傳輸時(shí)，無(wú)論是理論分析、實(shí)驗(yàn)研究還是數(shù)值計(jì)算都把注意力集中于討論和求得對(duì)流換熱系數(shù)h和反映對(duì)流換熱強(qiáng)度的無(wú)量綱數(shù)Nu。過(guò)增元等［2］［從場(chǎng)協(xié)同的觀點(diǎn)分析了對(duì)流換熱的機(jī)制，提出了場(chǎng)協(xié)同原理，指出換熱強(qiáng)度的大小不僅取決于溫度梯度、流體的速度和物性，還取決于速度場(chǎng)與熱流場(chǎng)的協(xié)同程度?！鰧?duì)流換熱的物理機(jī)制（1）對(duì)流換熱從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是具有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱，流體的運(yùn)動(dòng)起著當(dāng)量熱源的作用。（2）對(duì)流換熱的強(qiáng)度取決于當(dāng)量熱源的強(qiáng)度，它不僅取決于流體與固壁的溫

差、流動(dòng)速度和流體的熱物理性質(zhì)和輸運(yùn)性質(zhì)，而且還取決于流體速度矢量與熱流矢量的夾角。（3）流體引起的當(dāng)量熱源可以為正，也可為負(fù)。所以流體流動(dòng)可強(qiáng)化換熱也可減弱換熱（流體對(duì)固壁加熱時(shí)，熱源使換熱強(qiáng)化，熱匯使換熱減弱，當(dāng)流體冷卻固壁時(shí)，熱匯能使換熱強(qiáng)化，而熱源則使換熱減弱）?？傊瑢?duì)流換熱并不一定高于純導(dǎo)熱的換熱強(qiáng)度。嚴(yán)格的講，對(duì)流換熱并不是熱量傳遞的基本模式，它只不過(guò)是流體在有運(yùn)動(dòng)情況下的導(dǎo)熱問(wèn)題。因?yàn)闆](méi)有流動(dòng)，純導(dǎo)熱模式仍可以存在。而如果沒(méi)有導(dǎo)熱，對(duì)流換熱的模式就無(wú)法存在。一般情況下，對(duì)流換熱的能量方程可以寫(xiě)為：(dT (dT dT dT)--, ^dx dy dz/d

dx（1）對(duì)流換熱從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是具有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱，流體的運(yùn)動(dòng)起著當(dāng)量熱源的作用。對(duì)流換熱的強(qiáng)度取決于當(dāng)量熱源的強(qiáng)度，它不僅取決于流體與固體壁面的溫差、流速和流體性質(zhì)，還取決于流體流速矢量和熱流矢量的夾角。流動(dòng)引起的當(dāng)量熱源可正可負(fù)。所以，嚴(yán)格而言，對(duì)流換熱不是基本傳熱方式，他只不過(guò)是流體運(yùn)動(dòng)情況下的導(dǎo)熱。以二維層流邊界層為例，其能量方程可表示為：層流邊界層的能髡守恒方程;導(dǎo)熱的能量守恒層流邊界層的能髡守恒方程;導(dǎo)熱的能量守恒方程:_g（3）r（九三一）

動(dòng)動(dòng)([-lb)E反+的「'我比^六衣=―九竺w=qjx）奶 oy

對(duì)流換熱三維的能量方程可寫(xiě)為:TOC\o"1-5"\h\z河 IT A ST 8 FT S oT八/ L" LJ t-1 U z4 U1t v ? -vI v z*vJ ,心"'―耳；J=J+fM、E (1—3a)cj ov oz ox ox cv Cl' oz oz *匹、?ardTFT、T”8T、,,八 任T1偈化否+奄+時(shí)京一/薩洞嗨以融一眄j（l-3b）對(duì)流源頂 導(dǎo)熱源項(xiàng) 真實(shí)源項(xiàng)等式的右邊仍然是通常關(guān)注的壁面熱流，等式的左邊則是各種源項(xiàng)在熱邊界層中的總和。它們分別是真實(shí)源項(xiàng)，對(duì)流源項(xiàng)（流動(dòng)引起的當(dāng)量熱源）和導(dǎo)熱源項(xiàng)（流體中平行壁面方向?qū)嵋鸬漠?dāng)量熱源）。用此源強(qiáng)化的概念就能很好的認(rèn)識(shí)為什么具有放熱化學(xué)反應(yīng)的流體加熱冷壁時(shí)，對(duì)流換熱能強(qiáng)化；為什么空氣冷卻器中噴水蒸發(fā)能強(qiáng)化換熱，以及在管流中流體的軸向?qū)釙?huì)引起Nu的降低。等式尤邊的對(duì)流項(xiàng)改寫(xiě)為矢量的形式件「,TzSTdT dT等式尤邊的對(duì)流項(xiàng)改寫(xiě)為矢量的形式Lg心云+嗨燦’J石Lfe『pCp(U = (x) J0 ay4vr__vz___y"匚引入無(wú)因次變量并代入TOC\o"1-5"\h\zu=訂 仃ud y * -a ?XdT—「漢▽規(guī)二"匚動(dòng)工｛ _XJo X p】="一石 RexPr[(U^T)c^=Nux整理后可得無(wú)區(qū)次關(guān)系式U整理后可得無(wú)區(qū)次關(guān)系式U時(shí)二阡"宓月1^T)dy^f(Re^Pr)（積分值的物理意義在于在x處熱邊界層厚度截面內(nèi)的無(wú)因次熱源強(qiáng)度的和。積分的值一般與流動(dòng)、物性因素等有關(guān)，也就是說(shuō)它是和

的函數(shù)）RePr1的函數(shù)）RePr11x0U-VPcosp)dy-Nux要使傳熱強(qiáng)化有三方面的途徑:（1） 提高Re數(shù)，例如增加流速、縮小通道直徑等，就能使換熱增強(qiáng)；（2） ）提高Pr數(shù)，改變流動(dòng)介質(zhì)的物理性質(zhì)，例如增加流體的比容或黏性，將導(dǎo)致數(shù)的增大；（3） 增加無(wú)因次積分值：j1U-^Tcosp）dy0在速度和溫度梯度一定（或者Re，Pr數(shù)不變）的條件下，減小它們之間的夾角（Pv900）就能提高積分的值，從而使得Nu數(shù)增大即換熱強(qiáng)化。二、對(duì)流換熱場(chǎng)協(xié)同理論來(lái)源1998年清華大學(xué)過(guò)增元院士及其合作者對(duì)邊界層型的流動(dòng)進(jìn)行了能量方程的分析，通過(guò)將該方程在熱邊界層內(nèi)的積分，證明了減小速度矢量與溫度梯度之間的夾角是強(qiáng)化對(duì)流換熱的有效措施，這一思想在文獻(xiàn)中現(xiàn)稱(chēng)為場(chǎng)協(xié)同原理（fieldsynergyprincipl。，或者fieldcoordinationprinciple）三、場(chǎng)協(xié)同理論的適用范圍及發(fā)展意義?現(xiàn)階段僅限于單相流體?速度矢量與溫度梯度叫夾角的余弦值盡可能大，及兩夾角p盡可能?。╬<900）或P盡可能大（° >】800）?流體速度剖面和溫度剖面盡可能均勻（在最大流速可溫差一定條件下）?盡可能使三個(gè)標(biāo)量場(chǎng)中的大值與大值搭配（使三個(gè)標(biāo)量場(chǎng)中的大值盡可能同時(shí)出現(xiàn)在整個(gè)場(chǎng)中的某些區(qū)域，此時(shí)三個(gè)標(biāo)量指速度絕對(duì)值，溫度絕對(duì)值，夾角余弦場(chǎng)。場(chǎng)協(xié)同理論的重要意義在于對(duì)于某種流動(dòng)換熱結(jié)構(gòu),它可以明確告訴我們，在■場(chǎng)協(xié)同數(shù)一定物理?xiàng)l件下（如流體速度、溫度和物性等）此種結(jié)構(gòu)可能達(dá)到的最大換熱率.因此，場(chǎng)協(xié)同理論對(duì)傳熱學(xué)本身和強(qiáng)化傳熱技術(shù)來(lái)說(shuō)其重要性不言而喻■場(chǎng)協(xié)同數(shù)NuFc=jU?VTdy=RePr（1）物理意義：速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)協(xié)同的程度。（2）對(duì)于我們比較熟知的換熱情況，其協(xié)同程度遠(yuǎn)小于1，甚至低1?2個(gè)數(shù)量級(jí)。典型的對(duì)流換熱模式的場(chǎng)協(xié)同數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加而減少。四、實(shí)際應(yīng)用■換熱器中的場(chǎng)協(xié)同原理?換熱器中冷熱流體溫度場(chǎng)間的協(xié)同越好，換熱器的換熱性能就越好?溫差場(chǎng)均勻性原則的應(yīng)用，提供了一種提高叉流換熱器熱性能的新方法一通過(guò)改善溫差場(chǎng)的均勻性來(lái)強(qiáng)化叉流換熱器的效能具體辦法如下：傳熱面積的合理分配改變流程間管道的聯(lián)接。多股流換熱器傳熱有效度：Efmul抨=兩股流換熱器溫差均勻性判斷因子：多股流換熱器溫差均勻性判斷因子:nKE ⑺^^[T（i+itk）m知]i1j=l?1笏股洸換熱器結(jié)捋悝對(duì)于三股流五通道換熱器，流體采用ABCBA的排列方式時(shí)，在保持流量、入口溫度、流體的排列等參數(shù)不變的情況下，只是改變流體的流動(dòng)方向，從而形成三種不同的工況：純順流工況一五通道流體同向流動(dòng)；純逆流工況一相鄰?fù)ǖ懒鲃?dòng)方向相反;混合流工況一中間三通道流動(dòng)方向一致。五、個(gè)人總結(jié)過(guò)程或運(yùn)動(dòng)是由場(chǎng)力推動(dòng)的，而能量是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式的度量，因而任何能量的傳輸與轉(zhuǎn)換過(guò)程，都是在一定空間和時(shí)間條件下體系內(nèi)外各種場(chǎng)的相互作用下進(jìn)行的。場(chǎng)協(xié)同是一種普遍現(xiàn)象，不同