場(chǎng)協(xié)同教學(xué)教程電子教案

場(chǎng)協(xié)同理論與強(qiáng)化換熱技術(shù)報(bào)告人：云和明博士山東大學(xué)空間熱科學(xué)中心報(bào)告的主要內(nèi)容流體對(duì)流傳熱的場(chǎng)協(xié)同理論傳統(tǒng)的強(qiáng)化傳熱理論場(chǎng)協(xié)同理論的數(shù)值驗(yàn)證換熱器的場(chǎng)協(xié)同理論場(chǎng)協(xié)同強(qiáng)化傳熱研究所用的工具，方法自己的一些感想體會(huì)流體對(duì)流傳熱的場(chǎng)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(duì)流換熱三維的能量方程可寫(xiě)為（1－3a)

(1-3b)對(duì)流源項(xiàng)真實(shí)源項(xiàng)導(dǎo)熱源項(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。等式左邊的對(duì)流項(xiàng)改寫(xiě)為矢量的形式引入無(wú)因次變量并代入整理后可得無(wú)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(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)）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(qiáng)化。對(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）。總之，對(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。對(duì)流換熱的場(chǎng)協(xié)同原理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(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(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)同數(shù)（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)（3）典型的對(duì)流換熱模式的場(chǎng)協(xié)同數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加而減少傳統(tǒng)的強(qiáng)化傳熱理論（單相）減薄熱邊界層增加流體中的擾動(dòng)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(qiáng)度

以上技術(shù)取得廣泛的應(yīng)用，但普遍存在一個(gè)問(wèn)題，及傳熱強(qiáng)化的同時(shí)，流動(dòng)阻力（或功耗）的增加更多。我們可利用場(chǎng)協(xié)同理論來(lái)解決此問(wèn)題。場(chǎng)協(xié)同理論的數(shù)值驗(yàn)證邊界層型的流動(dòng)與換熱有兩個(gè)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(dòng)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(duì)比流體換熱器中的場(chǎng)協(xié)同原理?yè)Q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—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:

（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(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?lián)Q熱器中場(chǎng)協(xié)同小結(jié)：對(duì)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(duì)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(chǎng)、速度場(chǎng)、溫差場(chǎng)等場(chǎng)間協(xié)同變得更復(fù)雜，對(duì)整個(gè)換熱器換熱性能的影響更加嚴(yán)重.

通過(guò)三個(gè)算例可以看出，流體組織結(jié)構(gòu)的變化，將直接改變各個(gè)換熱流體對(duì)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(duì)的溫差場(chǎng)，使其溫差場(chǎng)的均勻性改變，從而導(dǎo)致該換熱對(duì)的換熱性能改善或惡化。在多股流換熱器中，由于這種多場(chǎng)協(xié)同作用，對(duì)于不同的流體組織結(jié)構(gòu)，可能會(huì)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(chǎng)均勻性原則的提出為叉流換熱器的強(qiáng)化提供了一種新的技術(shù)途徑，它與傳統(tǒng)的強(qiáng)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(diǎn).場(chǎng)協(xié)同強(qiáng)化傳熱研究所用的工具，方法實(shí)驗(yàn)（傳熱性能、阻力性能）數(shù)值模擬（利用功能強(qiáng)大的CFD軟件如cfx、fluent和ansys結(jié)合計(jì)算機(jī)編程做研究）數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合（現(xiàn)通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算出最佳和最差工況，然后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證）自己的一些感想體會(huì)合理詳盡的計(jì)劃要有頑強(qiáng)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(huì)，