基于場協同原理的強化傳熱新視角

施慧勇

摘 要：分析了基于平板層流邊界層能量方程而得出的對流換熱場協同理論的局限性。從流體微元的能量守恒原理出發，充分的論述了對于同種流體強化其換熱的有效途徑就是強化對流，得出更為通用的速度場與熱流場的強化傳熱協同理論，拓展了流體對流換熱的場協同理論的適用范圍。

關鍵詞：強化傳熱，場協同原理，對流換熱

1 引言

傳熱學這一門學科是在18世紀30年代英國開始的工業革命使生產力空前發展的條件下發展起來的。自從傳熱學形成獨立的學科以來，強化傳熱問題始終是人們關心的重要課題。特別是上世紀世紀50年代以后，石油危機的爆發，對世界經濟造成巨大影響，國際輿論開始關注世界“能源危機”問題，使得各國學者對強化傳熱的研究熱情達到前所未有的高度。相關文獻發表量大增，產生了一大批高效、實用的強化傳熱技術，應用于社會生產實踐中，產生了巨大的經濟效益和良好的社會效應。1998年，我國學者過增元在研究對流換熱時，從邊界層能量方程出發提出場協同原理，從流場和溫度場相互配合的角度重新審視對流換熱的物理機制，使得人們對強化傳熱有了新的認識。

2 對流換熱的機理分析

2.1 場協同理論簡介

場協同理論的完整表述為：“對流換熱的性能不僅取決于流體的速度和物性以及流體與固壁的溫差，而且還取決于流體速度場與流體熱流場間協同的程度。在相同的速度和溫度邊界條件下，它們的協同程度愈好，則換熱強度就愈高”。

對于二維邊界層流，δt是熱邊界層的厚度。式（3）表明，熱源項在積分域內的總和（即源總強度）就等于壁面熱流密度，也就是說只要設法提高總源強度就能強化傳熱，反之則能削弱換熱，這被稱為源強化。對于流體加熱固壁，熱源的存在使換熱強化，熱匯的存在使換熱減弱，而當冷卻固壁時則相反。

從（4）和（6）式可以看出，改變流速、溫差、流體物性或者改變Re數和Pr數就可以控制對流換熱的強度，然而從矢量點積中可以看到，速度矢量和溫度梯度，或者說速度矢量和熱流矢量的夾角β對熱源的大小（即對流換熱的強度）起著很重要的作用。當它們的夾角β小于90°時，β越小則對流換熱系數越大，當β=0°時，可以達到最大值。通過上述分析可知：對流換熱的強度，不僅取決于流速、溫差和流體物性，還取決于速度場與熱流場的相互配合。從矢量看，這是速度和熱流矢量兩個場的協同，從標量看則有3個：速度絕對值、熱流絕對值和兩者夾角的余弦值。只有當它們的值同時大時，才能使（7）式的值明顯增大。從以上的推導可以看出，場協同強化傳熱是基于平板層流邊界層能量方程提出的，對于在其它情況下平板邊界層能量方程是否適用，以及三維情況下的推廣沒有充分的證明，使得其在實際應用中有一定的局限性。

2.2 場協同強化傳熱的新論述

我們可以換一種角度思考問題，不必拘泥于邊界層的能量方程。我們建立能量方程、動量方程、連續性方程等，目的是為了通過建立這些方程，對這些方程求解得出流體的流場及溫度場分布，從而知道其流動與換熱情況，以便采取合適的強化換熱措施。我們不從具體的特定條件下出發，求解某一方程就不會受其約束條件的限制，得到的結果就更具有通用性。

3 結論

從流體微元的能量守恒原理出發，重新審視了強化對流換熱的場協同理論，充分的論述了對于同種流體強化其換熱的有效途徑就是強化對流，得出了更為通用的速度場與熱流場的強化傳熱協同理論，拓展了流體對流換熱的場協同理論的適用范圍，為強化對流換熱技術提供了更為堅實的理論基礎。

參考文獻：

[1]楊強生.對流傳熱與傳質[M].北京：高等教育出版社，1985.