場協(xié)同教學(xué)教程電子教案

場協(xié)同理論與強化換熱技術(shù)報告人：云和明博士山東大學(xué)空間熱科學(xué)中心報告的主要內(nèi)容流體對流傳熱的場協(xié)同理論傳統(tǒng)的強化傳熱理論場協(xié)同理論的數(shù)值驗證換熱器的場協(xié)同理論場協(xié)同強化傳熱研究所用的工具，方法自己的一些感想體會流體對流傳熱的場協(xié)同理論層流邊界層的能量守恒方程：導(dǎo)熱的能量守恒方程：

（1-1a）

(1-1b)

（1-2a)

(1-2b)

對流換熱三維的能量方程可寫為（1－3a)

(1-3b)對流源項真實源項導(dǎo)熱源項

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在熱邊界層中的總和。它們分別是真實源項，對流源項（流動引起的當(dāng)量熱源）和導(dǎo)熱源項（流體中平行壁面方向?qū)嵋鸬漠?dāng)量熱源）。用此源強化的概念就能很好的認識為什么具有放熱化學(xué)反應(yīng)的流體加熱冷壁時，對流換熱能強化；為什么空氣冷卻器中噴水蒸發(fā)能強化換熱，以及在管流中流體的軸向?qū)釙餘u

的降低。等式左邊的對流項改寫為矢量的形式引入無因次變量并代入整理后可得無因次關(guān)系式（積分值的物理意義在于在x處熱邊界層厚度截面內(nèi)的無因次熱源強度的和。積分的值一般與流動、物性因素等有關(guān)，也就是說它是和的函數(shù)）要使傳熱強化有三方面的途徑：（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；（2）提高Pr數(shù)，改變流動介質(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）增加無因次積分值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（）就能提高積分的值，從而使得Nu數(shù)增大即換熱強化。對流換熱的物理機制

（1）對流換熱從本質(zhì)上來說是具有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱，流體的運動起著當(dāng)量熱源的作用。（2）對流換熱的強度取決于當(dāng)量熱源的強度，它不僅取決于流體與固壁的溫差、流動速度和流體的熱物理性質(zhì)和輸運性質(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。所以流體流動可強化換熱也可減弱換熱（流體對固壁加熱時，熱源使換熱強化，熱匯使換熱減弱，當(dāng)流體冷卻固壁時，熱匯能使換熱強化，而熱源則使換熱減弱）?？傊?，對流換熱并不一定高于純導(dǎo)熱的換熱強度。嚴(yán)格的講，對流換熱并不是熱量傳遞的基本模式，它只不過是流體在有運動情況下的導(dǎo)熱問題。因為沒有流動，純導(dǎo)熱模式仍可以存在。而如果沒有導(dǎo)熱，對流換熱的模式就無法存在。對流換熱的場協(xié)同原理1998年清華大學(xué)過增元院士及其合作者對邊界層型的流動進行了能量方程的分析,通過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化對流換熱的有效措施，這一思想在文獻中現(xiàn)稱為場協(xié)同原理(fieldsynergyprinciple，或者fieldcoordinationprinciple)現(xiàn)階段僅限于單相流體速度矢量與溫度梯度的夾角的余弦值盡可能大，及兩夾角盡可能?。ǎ┗虮M可能大（）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）盡可能使三個標(biāo)量場中的大值與大值搭配（使三個標(biāo)量場中的大值盡可能同時出現(xiàn)在整個場中的某些區(qū)域，此時三個標(biāo)量指速度絕對值，溫度絕對值，夾角余弦場）

場協(xié)同數(shù)（1）物理意義：速度場和溫度場協(xié)同的程度（2）對于我們比較熟知的換熱情況，其協(xié)同程度遠小于1，甚至低1～2個數(shù)量級（3）典型的對流換熱模式的場協(xié)同數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加而減少傳統(tǒng)的強化傳熱理論（單相）減薄熱邊界層增加流體中的擾動增加壁面附近的速度梯度壁面區(qū)和中心流體區(qū)的混合二次流的形成和湍流強度

以上技術(shù)取得廣泛的應(yīng)用，但普遍存在一個問題，及傳熱強化的同時，流動阻力（或功耗）的增加更多。我們可利用場協(xié)同理論來解決此問題。場協(xié)同理論的數(shù)值驗證邊界層型的流動與換熱有兩個擾流子的平行板通道中的換熱插入有同心圓棒的圓管中流體的流動換熱順排翅片通道與平行平板通道的比較

流體二維叉排板換熱.通道與平直通道的對比流體換熱器中的場協(xié)同原理換熱器中冷熱流體溫度場間的協(xié)同越好，換熱器的換熱性能就越好溫差場均勻性原則的應(yīng)用，提供了一種提高叉流換熱器熱性能的新方法—通過改善溫差場的均勻性來強化叉流換熱器的效能具體辦法如下:

（1）傳熱面積的合理分配（2）改變流程間管道的聯(lián)接多股流換熱器傳熱有效度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對于三股流五通道換熱器，流體采用ABCBA的排列方式時，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;純逆流工況一相鄰?fù)ǖ懒鲃臃较蛳喾?混合流工況一中間三通道流動方向一致?lián)Q熱器中場協(xié)同小結(jié)：對于兩股流換熱器，在入口參數(shù)相同的條件下，逆流的結(jié)構(gòu)布置換熱性能要好于順流損失更小。然而，對于多股流換熱器，由于多流體、多通道布置方式的多樣性，使得溫度場、速度場、溫差場等場間協(xié)同變得更復(fù)雜，對整個換熱器換熱性能的影響更加嚴(yán)重.

通過三個算例可以看出，流體組織結(jié)構(gòu)的變化，將直接改變各個換熱流體對的特性，這種特性不僅包括各股流體的溫度變化，而且直接協(xié)變換熱對的溫差場，使其溫差場的均勻性改變，從而導(dǎo)致該換熱對的換熱性能改善或惡化。在多股流換熱器中，由于這種多場協(xié)同作用，對于不同的流體組織結(jié)構(gòu)，可能會出現(xiàn)局部順流(混合流)換熱性能優(yōu)于純逆流的情況，甚至純順流換熱性能優(yōu)于純逆流的情況。溫差場均勻性原則的提出為叉流換熱器的強化提供了一種新的技術(shù)途徑，它與傳統(tǒng)的強化傳熱技術(shù)相比，具有不產(chǎn)生明顯的附加阻力損失等優(yōu)點.場協(xié)同強化傳熱研究所用的工具，方法實驗（傳熱性能、阻力性能）數(shù)值模擬（利用功能強大的CFD軟件如cfx、fluent和ansys結(jié)合計算機編程做研究）數(shù)值模擬和試驗相結(jié)合（現(xiàn)通過數(shù)值模擬計算出最佳和最差工況，然后再進行實驗驗證）自己的一些感想體會合理詳盡的計劃要有頑強的毅力、敏銳的判斷力和哲學(xué)的研究思維多相互交流（討論會，