山东大学空间热科学中心：《场协同理论与强化换热技术》讲义

扬协同理论与礙化换热技术 报告人:云和明博士 山东大学空间热科学中心

场协同理论与强化换热技术 报告人：云和明 博士 山东大学空间热科学中心

报告的主要容 ●流体对流传热的场协同理论 ●传统的强化传热理论 ●场协同理论的数值验证 ●换热器的场协同理论 ●场协同强化传热研究所用的工具,方法 ●自己的一些感想体会

报告的主要内容 ⚫ 流体对流传热的场协同理论 ⚫ 传统的强化传热理论 ⚫ 场协同理论的数值验证 ⚫ 换热器的场协同理论 ⚫ 场协同强化传热研究所用的工具，方法 ⚫ 自己的一些感想体会

流体对流传热的场协同理论 T aT 层流边界层的能量守恒方程:Cp(+v)=(20)(11a) OX 导热的能量守恒方程: a aT g(,y)=(n (1-1b) 「" aT OT aT p1+)=-2m g(x) (1-2a) OX q(x, y)dy=-n OT' g(x) (1-2b) 0

流体对流传热的场协同理论 层流边界层的能量守恒方程： 导热的能量守恒方程： ( ) ( ) y T y y T v x T Cp u     =   +     （1-1a） ( , ) ( ) y T y q x y     −  =  (1-1b) q ( x ) y T )dy y T v x T Cp( u w w 0 t ,x =   = −   +       （1-2a) q ( x ) y T q( x, y )dy w w 0 t ,x =   = −     (1-2b)

对流换热三维的能量方程可写为 OTOT OT 0OT aOTa aT pcp(u.+v+w )+(元 az ax +q(1-3a) OT OT T aT aT aT pCP(l-+v-+w-)-l-(4-)+ q=-λ ay az (1-3b) 对流源项 导热源项 真实源项 等式的右边仍然是通常关注的壁面热流,等式的左边则是各种源项在热边 界层中的总和。它们分别是真实源项,对流源项(流动引起的当量热源)和 导热源项(流体中平行壁面方向导热引起的当量热源)。用此源强化的概念 就能很好的认识为什么具有放热化学反应的流体加热冷壁时,对流换热能强 化;为什么空气冷却器中喷水蒸发能强化换热,以及在管流中流体的轴向导 热会引起MW的降低

对流换热三维的能量方程可写为 ) q z T ( z ) y T ( y ) x T ( x ) z T w y T v x T Cp( u +      +     +     =   +   +       （1－3a) q ( x ) y T )] q }dy y T ( y ) x T ( x ) [ z T w y T v x T { Cp( u w 0 t ,x =   − = −     +     −   +   +          (1-3b) 对流源项 导热源项 真实源项 等式的右边仍然是通常关注的壁面热流，等式的左边则是各种源项在热边 界层中的总和。它们分别是真实源项，对流源项（流动引起的当量热源）和 导热源项（流体中平行壁面方向导热引起的当量热源）。用此源强化的概念 就能很好的认识为什么具有放热化学反应的流体加热冷壁时，对流换热能强 化；为什么空气冷却器中喷水蒸发能强化换热，以及在管流中流体的轴向导 热会引起Nu 的降低

rx OT aT OT pCp(u+y一)dy=- 等式左边的对流项改写为矢量的形式 q1 Ox x aT pCp(UVT)dy=-dow=q(x) U VT y 10>7 引入无因次变量并代入 VT= (1。-T)/o 2 aT T-T v 2LU.VTdy pcp Re, PrL (U VT )dy=Nu VT VT cos B 整理后可得无因次关系式 I=L(U VT )dy=f( Rex, Pr) (积分值的物理意义在于在ⅹ处热边界层厚度截面 内的无因次热源强度的和。积分的值一般与流动 物性因素等有关,也就是说它是和的函数)

q ( x ) y T )dy y T v x T Cp( u w w 0 t ,x =   = −   +       等式左边的对流项改写为矢量的形式 q ( x ) y T Cp(U T )dy w w 0 t ,x =    = −       = U U U   w t (T T )/ T T −    =  t y y  = T  Tw 引入无因次变量并代入   = 1 0 x Nux Re Pr (U T )dy  整理后可得无因次关系式 U T = U  T cos     =  = 1 0 I (U T )dy f (Rex ,Pr)  （积分值的物理意义在于在x处热边界层厚度截面 内的无因次热源强度的和 。积分的值一般与流动、 物性因素等有关，也就是说它是 和的函数 ） x y T T T U Tdy Cp v v U x w 1 0    − −   =         

Re pr VT cosB)dy= nu 要使传热强化有三方面的途径: (1)提高Re数,例如增加流速、缩小通道直径等,就能使换热增强: (2)提高P数,改变流动介质的物理性质,例如增加流体的比容或 黏性,将导致数的增大 (3)增加无因次积分值 元V7 在速度和温度梯度一定(或者Re,Pr数不变)的条件下,减小它们之间的 夹角(β<90)就能提高积分的值,从而使得№u数增大即换热强化

   = 1 0 x N ux Re Pr U T cos  )dy  要使传热强化有三方面的途径： （1）提高Re数，例如增加流速、缩小通道直径等，就能使换热增强； （2）提高Pr数，改变流动介质的物理性质，例如增加流体的比容或 黏性，将导致数的增大 （3）增加无因次积分值    1 0 U T cos  )dy  在速度和温度梯度一定（或者Re，Pr 数不变）的条件下，减小它们之间的 夹角（   900 ）就能提高积分的值，从而使得Nu数增大即换热强化

对流换热的物理机制 (1)对流换热从本质上来说是具有内热源的导热,流体的运动起着当量热源的作用。 (2)对流换热的强度取决于当量热源的强度,它不仅取决于流体与固壁的温差、 流动速度和流体的热物理性质和输运性质,而且还取决于流体速度矢量与热流矢量 的夹角。 (3)流体引起的当量热源可以为正,也可为负。所以流体流动可强化换热也可 减弱换热(流体对固壁加热时,热源使换热强化,热汇使换热减弱,当流体冷却 固壁时,热汇能使换热强化,而热源则使换热减弱)。 总之,对流换热并不一定高于纯导热的换热强度。严格的讲,对流换热并不是热 量传递的基本模式,它只不过是流体在有运动情况下的导热问题。因为没有流动, 纯导热模式仍可以存在。而如果没有导热,对流换热的模式就无法存在

对流换热的物理机制 （1）对流换热从本质上来说是具有内热源的导热，流体的运动起着当量热源的作用。 （2）对流换热的强度取决于当量热源的强度，它不仅取决于流体与固壁的温差、 流动速度和流体的热物理性质和输运性质，而且还取决于流体速度矢量与热流矢量 的夹角。 （3）流体引起的当量热源可以为正，也可为负。所以流体流动可强化换热也可 减弱换热（流体对固壁加热时，热源使换热强化，热汇使换热减弱，当流体冷却 固壁时，热汇能使换热强化，而热源则使换热减弱）。 总之，对流换热并不一定高于纯导热的换热强度。严格的讲，对流换热并不是热 量传递的基本模式，它只不过是流体在有运动情况下的导热问题。因为没有流动， 纯导热模式仍可以存在。而如果没有导热，对流换热的模式就无法存在

对流换热的场协同原理 1998年清华大学过增元院士及其合作者对边界层型的流动进行了能量方程的分析,通 过将该方程在热边界层内的积分证明了减小速度矢量与温度梯度之间的夹角是强化对 流换热的有效措施,这一思想在文献中现称为场协同原理( field synergy principle,或 t field coordination principle ●现阶段仅限于单相流体 ●速度矢量与温度梯度的夹角的余弦值尽可能大,及两夹角B尽可能小(Bl80) ●流体速度剖面和温度剖面尽可能均匀(在最大流速可温差一定条件下) ●尽可能使三个标量场中的大值与大值搭配(使三个标量场中的大值尽可能同时出 现在整个场中的某些区域,此时三个标量指速度绝对值,温度绝对值,夹角余弦 场)

对流换热的场协同原理 1998年清华大学过增元院士及其合作者对边界层型的流动进行了能量方程的分析,通 过将该方程在热边界层内的积分,证明了减小速度矢量与温度梯度之间的夹角是强化对 流换热的有效措施 ，这一思想在文献中现称为场协同原理(field synergy principle，或 者field coordination principle) ⚫现阶段仅限于单相流体 ⚫速度矢量与温度梯度的夹角的余弦值尽可能大，及两夹角 尽可能小（ ）或 尽可能大（ ） ⚫流体速度剖面和温度剖面尽可能均匀（在最大流速可温差一定条件下） ⚫尽可能使三个标量场中的大值与大值搭配（使三个标量场中的大值尽可能同时出 现在整个场中的某些区域 ，此时三个标量指速度绝对值，温度绝对值，夹角余弦 场）  0   90  0   180

场协同数 N Fc=U. TDv Re pr (1)物理意义:速度场和温度场协同的程度 (2)对于我们比较熟知的换热情况,其协同程度远小于1,甚至低1~2个数 量级 (3)典型的对流换热模式的场协同数随着雷诺数的增加而减少

场协同数  =  = Re Pr Nu Fc U Tdy  （1）物理意义：速度场和温度场协同的程度 （2）对于我们比较熟知的换热情况，其协同程度远小于1，甚至低1～2个数 量级 （3）典型的对流换热模式的场协同数随着雷诺数的增加而减少

传统的强化传热理论(单相) 减薄热边界层 ●增加流体中的扰动 ●增加壁面附近的速度梯度 ●壁面区和中心流体区的混合 二次流的形成和湍流强度 以上技术取得广泛的应用,但普遍存在一个问题,及传热 强化的同时,流动阻力(或功耗)的增加更多。我们可利用场 协同理论来解决此问题

传统的强化传热理论（单相） ⚫ 减薄热边界层 ⚫ 增加流体中的扰动 ⚫ 增加壁面附近的速度梯度 ⚫ 壁面区和中心流体区的混合 ⚫ 二次流的形成和湍流强度 以上技术取得广泛的应用，但普遍存在一个问题，及传热 强化的同时，流动阻力（或功耗）的增加更多。我们可利用场 协同理论来解决此问题