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1、王兵 刘鹏程,管内单相对流换热,综述：管内对流换热过程广泛存在于化工、动力、制冷及太阳能热利用等工程技术领域的各种热交换设备中，是一个传热温差和流体流动阻力并存且相互影响的传热过程。,1 管内对流换热的理论分析,边界层理论 场协同理论 有效能分析 脉动分析,边界层理论,定义：边界层是由于流体的黏滞性，在紧靠其边界壁面附近，流速较势流流速急剧减小，形成的流速梯度很大的薄层流体，又称为流动边界层.,对于强制对流，若忽略自然对流的影响，其一般准则数关系式为： Nu=(Re,Pr) 在一定范围内，这个关系式可整理成如下形式: Nu=C*Rem*Prn,场协同理论,针对静止坐标系下的流动换热问题，有学者
2、从二维层流边界层能量方程出发，重新审视了热量输运的物理机制，把对流换热比拟成有内热源的导热过程，并指出热源强度不仅决定于流体的速度和物性，而且取决于流速和热流矢量的协同: 流动的存在可能强化换热，也可能并无实质贡献甚至减弱换热，并以二维平板层流边界层问题为例提出了场协同理论，得到了 Nu数与温度梯度之间的关系，定义了表征速度场和温度场协同程度的场协同数Fc。场协同理论提出以来，对于其在静止坐标系下的应用研究得到了广泛的关注和发展:把场协同理论的应用从层流拓展到湍流，提出采用多纵向涡强化管内对流换热的场协同强化方法;,管内强化对流传热的场协同分析,有效能分析,定义：有效能指的是动力设备对流体实际
3、做功的那部分能量在管内对流换热中，流体因其不可逆性引起的流动摩擦阻力和温差传热，导致能量贬值，即有效能的损失。当有传热发生时，流体热物性随温度变化而改变，使得速度的分布发生一定程度的改变，速度的变化反作用到流体的传热在流体的热物性中，对温度的变化最为敏感，而在大多数情况下，黏性对传热过程的影响远大于其它物性的影响一般情况下，液体的黏性随温度升高而减小，气体则呈现与液体相反的趋势，使得管内速度分布发生畸变，这必将对流动中的传热和压降特性产生重要影响。,在热物性对有效能损失影响的研究中，目前对有效能的研究只是针对层流的情况。师晋生等针对壁面定热流加热的管内对流换热有效能损失进行了研究，分析了黏度等
4、变化的影响。得到了4条适用于层流和紊流的规律性的结论。并得出了适用于层流和湍流的简单关系式，其反应了有效能损失与换热工况、流动状态、管长的关系。,随着流体粘性变大，温差传热时管内液体近壁处流速增大，换热系数也增大，在热流不变的条件下，壁面温度与流体平均温度差将减小，实际温差传热有效能损失会减小，由流动引起的有效能损失更会减小。这是因为近壁处液体流阻系数减小，这样总的单位热容有效能损失将减小。,脉动分析,对管内流动，脉动流体进入管道进口时造成换热系数的影响，直接反映在速度发生周期性变化，以及流体的脉动幅值、频率的变化。 通常的研究结果表明脉动流体会起到强化或弱化换热效果，胡玉生等通过数值模拟的方
5、法对管内流体脉动流动的分析。 取内径为 8mm、长度为 2m 的圆管，流动状态为层流，管壁采用恒壁温加热方式，管子进口处的速度变化为正弦周期性变化。假设（1）流体为不可压缩流体，物性为常数； （2）忽略重力的影响； （3）所有界面和接触表面不变形，液-固接触面为无滑移边界； （4）管子周向上的速度、温度和压力等的变化可略而不计（即简化成二维问题）。 只取圆管轴心上面一侧作为研究对象，则将问题简化为二维、非稳态、常物性、轴对称层流流动与换热问题。,结果表明阻力比无脉动时大，并且在流场中有与主流区流动方向相反的流动现象， 当无因次振幅不变的情况下，换热强化比随频率的增大逐渐增大，在低频率时变化较为
6、明显，在高频率时变化不明显，但是频率较高时能够强化换热，而在频率较低时则会有弱化换热的情况，同样，当频率不变的情况下，换热强化比是随着无因次振幅的增大先是逐渐下降然后逐渐增大，在无因次振幅较低时，会弱化换热，并且振幅的影响不是很明显，相反，振幅对换热效果的影响十分显著，并且随着振幅的增大，换热效果逐渐增大， 因为脉动时阻力比无脉动时大，而且在流场中有与主流区流动方向相反流动现象， 这是造成流体强化或弱化换热的原因。,2.对流换热系数的实验测定,稳态法 瞬态法 组合曲线回归法,稳态法,对流换热系数的定义是热流除以温差，所以要获得热流，一种是用热流传感器，直接测量表面的热流，温差通过热电偶测量，可
7、以求出对流换热系数；另一种是通过求解固体的稳态导热方程，得到壁面热流，再进行温差测量，得到对流换热系数。,瞬态法,利用周期变化的流体温度在固体壁内的传播特性确定对流换热系数的原理,即根据流体与固体温度变化之间的相位角滞后(或振幅衰减)确定对流换热系数.,拟合曲线回归法,针对螺旋扁管壁面温度难于准确测试的特点，可以采用线性曲线回归与非线性曲线回归相结合的方法进行管内传热系数计算，组合曲线回归法可避免壁温测量过程产生的误差，提高测试结果的准确度。,3.管内对流换热的实验研究（强化换热）,缩放管强化换热 金属泡沫管强化换热 带交叉肋方形截面通道换热 纳米流体强化换热 高压电场强化换热,缩放管强化换热
8、,缩放管是由依次交替的收缩段和扩张段组成，使流体始终在方向反复改变的纵向压力梯度作用下流动，通过表面缩放来改变管内流体的流动状况以达到换热的效果。在同等压力降下，流体的流动速度模量、流动方向、湍流强度相较圆管内而言，缩放管的传热量会大幅度增加。,金属泡沫管强化换热,金属泡沫管是一种新型的多孔材料。利用多孔材料调整流场分布，可以减薄边界层厚度，有效增强换热。 金属泡沫可以大大减薄边界层的厚度，使截面流体速度分布十分均匀，截面温差也很小泡沫管的平均努谢尔特数随孔隙率的减小或孔密度的提高而增大，随流体和固体导热系数比的减小而增大当系数比0.1001时，采用低孔密度的金属泡沫既可以强化换热，同时也可以
9、大大减小压降。 采用金属泡沫管可以大大强化传热，但相对同时管内流体阻力增加也会很多。,带交叉肋方形截面通道换热,粗糙元是一些小的凸起物，按照一定的角度，周期性地布置在需要强化换热的换热面上。粗糙元能使流体的流动形成湍流而强化换热，同时也会引起阻力增加。为了不使阻力增加过多，应使湍流脉动限制在靠换热面很近的地方，也就是在边界层内。带交叉肋方形截面通道就是利用这个原理通过内置粗糙元以达到管内强化换热。,纳米流体强化换热,表面活性剂的加入可以使湍流在减阻的同时对流换热系数也大幅度降低。 表面活性剂溶液具有剪切可逆性及温变可逆性，利用该性质可以对其湍流的对流换热进行控制。 在流体中加入纳米材料后流体的对流换热系数明显提高，随着雷诺数的增加换热系数还呈线性提高。,高压电场强化换热,有机流体在外加直流高压电场的作用下，电场能对管内层流强制对流换热起着很好的强化作用。利用高压电场目的是增加在管内层流流动的流体的紊乱程度，变层流为湍流。,
