场协同原理

传热学作业-场协同原理航空航天工程学部04040203班2010040402084蔡莉2013年5月31日场协同原理04040203班2010040402084蔡莉一、内容 该原理认为，在速度场、温度梯度分布一定的条件下，二者之间的夹角（场协同 角）对对流传热强度有重要影响，夹角越小，传热强度愈高。场协同概念：流动当量热源不仅取决于速度场、热流场、夹角场的绝对值，还取决于 这三个标量值的相互搭配。对流换热中速度场与热流场的配合能使无因次流动当 量热源强度提高，从而强化传热，此时称速度场与热流场协同较好。理论研究表明,流体与壁面之间的换热率与速度场和温度梯度场（热流场）的 协同程度有着密切关系。当换热系统中的速度场和温度梯度场达到充分协同时, 换热就达到最优,流体流动所需功耗与其换热率的投入产出比就会达到最佳。根 据速度场和温度梯度场的协同程度,表征对流换热强度的准则数 Nusselt 数存在 着上限和下限，分别是Nu二RePr和Nu=O, 般换热结构的换热率均处在此上、下 限之间.该理论被称为场协同理论,它的建立无疑对强化传热技术的发展有重要 促进作用。强化能量的传递与转换过程是人们所关注的重要课题 , 几十年来人们进行 了大量的理论与实验研究, 取得了很大的进展并获得实际的应用。然而, 在研究 其强化机制方面一直缺乏统一的理论。例如, 在研究强化对流热传输时, 无论是 理论分析、实验研究还是数值计算都把注意力集中于讨论和求得对流换热系数 h 和反映对流换热强度的无量纲数Nu。过增元等2从场协同的观点分析了对流换 热的机制, 提出了场协同原理, 指出换热强度的大小不仅取决于温度梯度、流体 的速度和物性,还取决于速度场与热流场的协同程度。 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。一般情况下，对流换热的能量方程可以写为：PcpdT u -(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。 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体壁面的温差、 流速和流体性质，还取决于流体流速矢量和热流矢量的夹角。流动引起的当量热 源可正可负。所以，严格而言，对流换热不是基本传热方式，他只不过是流体运 动情况下的导热。以二维层流边界层为例，其能量方程可表示为：以流边界层的能量守恒方程;导热的能量守和方程:一恥)二?亿)dy dy03砂=-2对流换热三维的能量方程可写为:订 B 丁B F、T 3 直丁 ？、 oTpCp(uV JU Ib 丄、U. * U1u Vy * U I. vz * U J,vw) (A丿(Z) (A丿+ 4(12訐、 6xdvdzox &c a? fi &)+V*oT 衍 ffT d dT d oTeTg依沪方+临丿F临丿+評駅一胁“矿朋丿（l-3b）对流源项导热源坝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。dT)dy = -A=qw(xlSy炸 QT I. PP( + V 宀ex cyfT pCp(U T)dy = -A-w=弘丿等式和边的对流项改写為矢量的形式T引入无因次变量并代入1 WUxvTpep幣班门可得无卩次关系式RexPr(U )(NuxU vr = |f7|-|v7c/S1T)dyf(RePr)（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 ）Re Pri1U - VT cos 0 )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：i 1U -|VT cos0 ）dy0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（0 90 0）就能提高积分的值，从 而使得Nu数增大即换热强化。二、对流换热场协同理论来源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）三、场协同理论的适用范围及发展意义 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0尽可能小（0 】80） 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。场协同理论的重要意义在于对于某种流动换热结构,它可以明确告诉我们,在 一定物理条件下（如流体速度、温度和物性等）此种结构可能达到的最大换热率.因此,场协同理论对传热学本身和强化传热技术来说其重要性不言而喻.场协同数Fc 二 i U VTdy 二NuRe Pr1）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12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。四、实际应用换热器中的场协同原理换热器中冷热流体温度场间的协同越好，换热器的换热性能就越好温差场均匀性原则的应用，提供了一种提高叉流换热器热性能的新方法一通过改善温差场的均匀性来强化叉流换热器的效能具体办法如下：(1) 传热面积的合理分配(2) 改变流程间管道的联接。多股流换热器传热有效度：两股流换热器温差均匀性判断因子：多股流换热器温差均匀性判断因子:ri K2打=1+ ltk)T(订Ii 1 j=l 1笳茫说换热器结樹展对于三股流五通道换热器，流体采用ABCBA的排列方式时，在保持流量、 入口温度、流体的排列等参数不变的情况下，只是改变流体的流动方向，从而形 成三种不同的工况：纯顺流工况一五通道流体同向流动；纯逆流工况一相邻通道 流动方向相反;混合流工况一中间三通道流动方向一致。五、个人总结过程或运动是由场力推动的，而能量是物质运动形式的度量，因而任何能量 的传输与转换过程，都是在一定空间和时间条件下体系内外各种场的相互作用 下进行的。场协同是一种普遍现象，不同场之间可控制某些参量使其协同，以达 到按目的过程进行或能量有效传输和转换。目前，实验研究所发现的场协同现象 已经越来越多。例如，在电场作用下，沸腾传热系数可以增大一个数量级；微 波可以使有效成分的萃取时间缩短为几十分之一，等等，这都是由于外场与内场 协同作用的结果。深入研究这些空间条件和场相互作用的内在机制是研究能量的 转换与传递过程重要途径。