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1、中国 南京能源与环境学院能源与环境学院第二章 场协同原理及应用field synergy principle1.1 概述场协同原理为后面介绍的各种强化传热方法提供理论基场协同原理为后面介绍的各种强化传热方法提供理论基础。础。强化传热的着眼点强化传热的着眼点传热系数K传热面积F传热温差tm传统理论解释强化传热的物理机制：传统理论解释强化传热的物理机制：壁面与中心流体的混合边界层减薄二次流、湍流普遍存在的问题：传热获得强化的同时，阻力也相应普遍存在的问题：传热获得强化的同时，阻力也相应增大。增大。有些强化传热技术的机制不能解释或解释不清狭义翅片,紧凑逆流2024/8/221中国 南京能源与环境学院
2、能源与环境学院新的强化传热技术新的强化传热技术（第三代（第三代/ /第四代）第四代）三维肋三维粗糙元纵向涡发生器复合强化等需要有基于新概念的创新性强化传热技术需要有基于新概念的创新性强化传热技术场协同原理能统一认识现有各种对流换热场协同原理能统一认识现有各种对流换热强化的物理本质，指导发展新的传热强化强化的物理本质，指导发展新的传热强化技术（高效低阻）。技术（高效低阻）。2024/8/222中国 南京能源与环境学院能源与环境学院2.2 对流传热的物理机制传统观点：由于流体的宏观运动能携带热量，所以传统观点：由于流体的宏观运动能携带热量，所以对流换热的热量传递速率高于纯导热时的传递速率。对流换热
3、的热量传递速率高于纯导热时的传递速率。以下从另一角度审视。以下从另一角度审视。2.2.1 2.2.1 对流换热中有流体运动时的导热对流换热中有流体运动时的导热以二维平板层流边界层问题为例以二维平板层流边界层问题为例2024/8/223中国 南京能源与环境学院能源与环境学院层流边界层的能量守恒方程层流边界层的能量守恒方程导热的能量守恒方程导热的能量守恒方程对流换热可以比拟为具有内热源的导热问题，对流换热可以比拟为具有内热源的导热问题，两边积分得两边积分得内热源强度热边界层厚度x截面处热源总和x处壁面热流希望右边大，就得左边大！2024/8/224中国 南京能源与环境学院能源与环境学院同理可得三维
4、边界层问题的对流换热能量方程同理可得三维边界层问题的对流换热能量方程移项后积分得移项后积分得对流源项总和越大，则对流换热强度越高。对流源项总和越大，则对流换热强度越高。流体加热固壁时，有热源可强化，有热汇则弱化；流体冷却固壁时，有热汇可强化，有热源则弱化。流体温度高于固壁时，相当于热源；反之，相当于热汇。对流源项导热源项真实源项有放热化学反应的流体加热冷壁时，对流换热能强化。空气冷却器中喷水蒸发时，能强化换热。2024/8/225中国 南京能源与环境学院能源与环境学院2.2.2 对流换热控制和强化的途径将二维热边界问题式将二维热边界问题式(2a)(2a)中的左边对流项改写为矢中的左边对流项改写
5、为矢量形式量形式引入无因次变量引入无因次变量整理得整理得速度矢量返回2024/8/226中国 南京能源与环境学院能源与环境学院被积因子被积因子其中其中是速度矢量与温度梯度矢量（热流矢量）的夹角。是速度矢量与温度梯度矢量（热流矢量）的夹角。由式由式(6)可见，换热强化有可见，换热强化有3方面的途径：方面的途径：提高Re数提高Pr数增加无因次积分值。其物理意义是x处热边界层内的无因次热源强度的总和增大被积函数的数值，就能增加I值新途径：当90时，减小速度矢量和热流矢量的夹角。2024/8/227中国 南京能源与环境学院能源与环境学院2.3 对流换热中的场协同原理2.3.1 2.3.1 场分析场分析
6、两个矢量场：两个矢量场：速度场温度梯度场或者三个标量场或者三个标量场速度绝对值场温度梯度绝对值场夹角余弦场2024/8/228中国 南京能源与环境学院能源与环境学院2.3.2 场协同数由式由式(6)(6)可见，在流速和流体的物理性质给定的条件可见，在流速和流体的物理性质给定的条件下，边界上的热流取决于流动当量热源强度，或者下，边界上的热流取决于流动当量热源强度，或者在在Re数、数、Pr数一定时，数一定时，Nu数取决于无因次流动当量数取决于无因次流动当量热源。热源。取决于速度场、热流场本身，以及它们之间的夹角。取决于速度场、热流场本身，以及它们之间的夹角。式式(6)中的积分值高则速度场与热流场协
7、同较好。中的积分值高则速度场与热流场协同较好。速度矢量与温度梯度矢量的夹角余弦值尽可能大；流体速度剖面和湿度剖面尽可能均匀；尽可能使三个标量场中的大值与大值搭配，也就是说要使三个标量场的大值尽可能同时出现在整个场中某些域上。2024/8/229中国 南京能源与环境学院能源与环境学院定义对流换热的场协定义对流换热的场协同数同数鉴于无因次积分中鉴于无因次积分中cos总是小于总是小于1，当，当Fc=1时时速度场与热流场完全速度场与热流场完全协同。这是对流换热协同。这是对流换热强度的上限。强度的上限。实际情况低了实际情况低了12个数个数量级，说明有很大潜量级，说明有很大潜力。力。Fc随着随着Re增大而
8、减小。增大而减小。平板层流边界层平板湍流边界层湍流管内流动2024/8/2210中国 南京能源与环境学院能源与环境学院2.3.4 场协同原理及其适用性表述：表述：对流换热的性能不仅取决于流体的速度和物对流换热的性能不仅取决于流体的速度和物性以及流体与固壁的温差，而且还取决于流体速度性以及流体与固壁的温差，而且还取决于流体速度场与流体热流场间的协同程度。在相同的速度和温场与流体热流场间的协同程度。在相同的速度和温度边界条件下，它们的协同程度愈好，则换热强度度边界条件下，它们的协同程度愈好，则换热强度就愈高。就愈高。适用性：适用性：从边界层(抛物型)流动回流型(椭圆型)流动；从层流流动湍流流动；从
9、稳态流动一维瞬态流动；从单股流流动两股(多股)流换热器2024/8/2211中国 南京能源与环境学院能源与环境学院2.4 场协同原理的应用1)1)充分发展的圆管层流换热问题充分发展的圆管层流换热问题等壁温边界条件圆管内层流换热的NuT=3.66；等热流边界条件圆管内层流换热的Nuq=4.36。传统解释：传统解释：等热流边界条件时，管内流体在壁面处的温度梯度更大些。场协同理论的解释：场协同理论的解释：将数值计算的两者之等温线比较：2024/8/2212中国 南京能源与环境学院能源与环境学院充分发展流的流线充分发展流的流线均平行于轴线。热均平行于轴线。热流方向垂直于等温流方向垂直于等温线，并朝向低
10、温方线，并朝向低温方向。向。等等壁温：壁面处速壁温：壁面处速度矢量与热流矢量度矢量与热流矢量的夹角的夹角为为90。等热流：壁面处速等热流：壁面处速度矢量与热流矢量度矢量与热流矢量的夹角的夹角小于小于90。夹角微小的变化就夹角微小的变化就可形成可形成Nu数较大的数较大的差异。差异。2024/8/2213中国 南京能源与环境学院能源与环境学院2)2)壁面可穿透的平板边界层壁面可穿透的平板边界层（等温壁面有垂直于主流（等温壁面有垂直于主流方向的流体进入或逸出）。方向的流体进入或逸出）。当壁面处流体吹进主流时，阻力和换热系数减小；当流体从壁面处被吸出时，阻力和换热系数将增大。壁面处的垂直方向流壁面处的
11、垂直方向流速速vw与主流与主流U相比很小时有如下相比很小时有如下分析解（相似解）分析解（相似解）-0.45-0.250+0.25+0.375c0.9450.5230.3320.1650. 094吹进主流吹进主流吸出主流吸出主流2024/8/2214中国 南京能源与环境学院能源与环境学院传统解释：当流体被抽吸时，温度边界层变薄，从而壁面温度梯度增大。场协同解释：当流体被抽吸时，两矢量的夹角减小，相当于热源强度增加，换热强化；而当壁面喷吹流体时，使增大，且壁面附近处90,此时流动起热汇作用,换热减弱。2024/8/2215中国 南京能源与环境学院能源与环境学院又如冲击射流为什么能强化换热？又如冲击
12、射流为什么能强化换热？沿流向的正压力梯度为何能提高对流换热系沿流向的正压力梯度为何能提高对流换热系数？数？等等都可从速度与热流矢量夹角减小找到原等等都可从速度与热流矢量夹角减小找到原因。因。这样对于对流换热的物理机制和传热强化的这样对于对流换热的物理机制和传热强化的原因就有更深入和本质的认识原因就有更深入和本质的认识2024/8/2216中国 南京能源与环境学院能源与环境学院3）平行平板间对流换热（反面例子）平行平板间对平行平板间对流换热示意图流换热示意图a.入口处速度剖面均匀b.上部被加热,下部被冷却c.温度剖面趋于线性分布速度充分发展后，流线是平行于平板的，即流线与等温线平行，通道内的速度
13、矢量与温度梯度矢量的夹角为90。 积分为零，温度线性分布式(4)2024/8/2217中国 南京能源与环境学院能源与环境学院2.5发展强化传热的新方法和新技术对流换热中流场与温度场是耦合的，改善对流换热中流场与温度场是耦合的，改善场的协同虽然不容易，但还是有可能的。场的协同虽然不容易，但还是有可能的。三个方面：三个方面：改变热边界条件。在边界热流一定时，使边界热流沿流向增加的分布就能强化传热。在温度边界条件的情况下，平均温度相同时（流体被加热时，如能布置壁温沿流向升高时，传热就能强化。改变速度分布。有意识地通过速度边界条件的改变使速度和热流矢量的夹角减小，或者使三个标量场的配合更好，从而强化传
14、热。特殊的肋或插入物。2024/8/2218中国 南京能源与环境学院能源与环境学院1）交叉缩放椭圆截面管清华大学孟继安采用周期性改变椭圆截面放置，清华大学孟继安采用周期性改变椭圆截面放置，从而改变管内流场。相邻从而改变管内流场。相邻2 2个椭圆管的长轴（短轴）个椭圆管的长轴（短轴）相互垂直，交接处形成相互垂直，交接处形成2 2个方向交替收缩和扩张。个方向交替收缩和扩张。2024/8/2219中国 南京能源与环境学院能源与环境学院2）纤毛肋它不是为了增加传热面积，也不是为了增加湍流度。由高它不是为了增加传热面积，也不是为了增加湍流度。由高导热组成，金属丝与管径相比很细，与管壁接触好的称为导热组成
15、，金属丝与管径相比很细，与管壁接触好的称为纤毛肋，如不完全接触的则称为纤毛状插入物。很稀疏地纤毛肋，如不完全接触的则称为纤毛状插入物。很稀疏地布置在管内，填充率仅为布置在管内，填充率仅为0.5%1.0%。其主要作用是使流体的径向温度均匀化，改善协同。在同其主要作用是使流体的径向温度均匀化，改善协同。在同功耗条件下，换热强化可达功耗条件下，换热强化可达200%以上（以上（Re2000）。）。2024/8/2220中国 南京能源与环境学院能源与环境学院3）二维顺排板束与平板通道的比较,层流L1=L2=L，H1=H2=2/3, H1/L1=0.4等壁温边界条件，等壁温边界条件，Pr=0.72024/
16、8/2221中国 南京能源与环境学院能源与环境学院4）二维叉排板束与平板通道的比较,层流H=L，t=H/32024/8/2222中国 南京能源与环境学院能源与环境学院5）二维波纹型通道与平直通道对比,层流Rm/S=0.6, L/S=1.84, H/S=0.62024/8/2223中国 南京能源与环境学院能源与环境学院6)二维渐扩渐缩通道与平板通道的对比,层流Hmax/Hmin=2, L/Hmin=32024/8/2224中国 南京能源与环境学院能源与环境学院7）流体纵掠二维顺排平行板束的湍流换热L1=L2，H/L1=1 ， d/L1=0.20.4, 2024/8/2225中国 南京能源与环境学
17、院能源与环境学院8）流体纵掠二维叉排平行板束的湍流换热几何尺度与顺排几何尺度与顺排板束相同板束相同2024/8/2226中国 南京能源与环境学院能源与环境学院9）内环肋管道中的湍流换热肋高比肋高比H/D=0.1，0.2；肋距比肋距比P/H=15、10、8等；等；W= H2024/8/2227中国 南京能源与环境学院能源与环境学院10）翅片作用的分析翅片管翅片管2024/8/2228中国 南京能源与环境学院能源与环境学院10）翅片作用的分析（续）有翅片通道无翅片通道2024/8/2229中国 南京能源与环境学院能源与环境学院11）开缝翅片开缝位置影响分析“前疏后密”法则2024/8/2230中国 南京能源与环境学院能源与环境学院12）开缝翅片“前疏后密”法则2024/8/2231中国 南京能源与环境学院能源与环境学院2.5 场协同原理是强化单相对流换热的统一理论2.5.12.5.1两种极限情况两种极限情况2024/8/2232中国 南京能源与环境学院能源与环境学院2.5.2减薄热边界层与减小协同角等价2024/8/2233中国 南京能源与环境学院能源与环境学院2.5.3增加流体中的扰动导致协同角的减小2024/8/2234中国 南京能源与环境学院能源与环境学院2.5.4增加壁面附近的速度梯度也使协同角减小2024/8/2235
