場(chǎng)協(xié)同原理要點(diǎn)

1、場(chǎng)協(xié)同原理FieldSynergyPrinciple)班級(jí)：04040203班學(xué)號(hào):姓名:學(xué)院：航空航天工程學(xué)部目錄一內(nèi)容1二來源1三發(fā)展3四數(shù)值驗(yàn)證3五適用范圍5六實(shí)際應(yīng)用5七前景未來6八.參考文獻(xiàn)7場(chǎng)協(xié)同原理（FieldSynergyPrinciple）一. 內(nèi)容理論研究表明,流體與壁面之間的換熱率與速度場(chǎng)和溫度梯度場(chǎng)（熱流場(chǎng)）的協(xié)同程度有著密切關(guān)系。當(dāng)換熱系統(tǒng)中的速度場(chǎng)和溫度梯度場(chǎng)達(dá)到充分協(xié)同時(shí),換熱就達(dá)到最優(yōu),流體流動(dòng)所需功耗與其換熱率的投入產(chǎn)出比就會(huì)達(dá)到最佳。根據(jù)速度場(chǎng)和溫度梯度場(chǎng)的協(xié)同程度，表征對(duì)流換熱強(qiáng)度的準(zhǔn)則數(shù)Nusselt數(shù)存在著上限和下限，分別是Nu=RePr和Nu=O,般

2、換熱結(jié)構(gòu)的換熱率均處在此上、下限之間.該理論被稱為場(chǎng)協(xié)同理論，該原理認(rèn)為，在速度場(chǎng)、溫度梯度分布一定的條件下，二者之間的夾角（場(chǎng)協(xié)同角）對(duì)對(duì)流傳熱強(qiáng)度有重要影響，夾角越小，傳熱強(qiáng)度愈高，它的建立無疑對(duì)強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展有重要促進(jìn)作用。二. 來源1998年清華大學(xué)過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)稱為場(chǎng)協(xié)同原理fieldsynergyprinciple，或者fieldcoordinationprinciple）。對(duì)流換熱的物理機(jī)制1對(duì)流換熱從本質(zhì)上來說是具有內(nèi)

3、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）?？傊瑢?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，它只不過是流體在有運(yùn)動(dòng)情況下的導(dǎo)熱問題。因?yàn)闆]有流動(dòng)，純導(dǎo)熱模式仍可以存在。而如果沒有導(dǎo)熱，對(duì)流換熱的模式就無法存在。一般情況下，對(duì)流換熱

4、的能量方程可以寫為：1）對(duì)流換熱從本質(zhì)上來說是具有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱，流體的運(yùn)動(dòng)起著當(dāng)量熱源的作用。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體壁面的溫差、流速和流體性質(zhì)，還取決于流體流速矢量和熱流矢量的夾角。流動(dòng)引起的當(dāng)量熱源可正可負(fù)。所以，嚴(yán)格而言，對(duì)流換熱不是基本傳熱方式，他只不過是流體運(yùn)動(dòng)情況下的導(dǎo)熱。aTaTaaT層流邊界層的能量守恒方程：pCp（u+v）=（尢）axayayay導(dǎo)熱的能量守恒方程:=q(x)w®xpCp(u遼+v遼)dy=-XaT0axayayj5t.xq(x,y)dy=0二q(x)w對(duì)流換熱三維的能量方程可寫為：合TdTdTddTddTddTpc

5、ppu云+v石+w忘丿在(F集(r壊(F+qgpCp(u寧+v寧+wJ-軌呼丿+燈哼)-qdy一耳=q(x)ooxoyozoxoxdyoyoyw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)改寫為矢量的形式：J6pCp(U-VT)dy=-XoT|ooy=q(x)ww引入無因次變量并

6、代入：vpCpoy_VT-(T-T)/58wty_丄T>T58wtotj1U-VTdy_T-Toyo九VT-2-整理后可得無因次關(guān)系式：rRePrxj1(UVT)dy_oNuxUVT_cosp,Pr)xI_j1(UVT)dy_f(Reo（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)，也就是說它是和的函數(shù)）RePrj1U-VTcosp)dy_Nu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；增加無因次積分值

7、j1UVTcosp）dyo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（090°）就能提高積分的值，從而使得Nu數(shù)增大即換熱強(qiáng)化。Nu場(chǎng)協(xié)同數(shù)：FC»U-VTdy=RePr(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12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.三. 發(fā)展過增元教授在研究對(duì)流換熱時(shí),從傳熱過程的能量方程中發(fā)現(xiàn)速度矢量和熱流矢量之間的配合關(guān)系對(duì)傳熱效果有重要的影響，速度矢量和熱流矢量之間恰當(dāng)?shù)嘏浜峡梢詷O大地強(qiáng)化傳熱。過增元教授由此提出了速度場(chǎng)和

8、溫度梯度場(chǎng)協(xié)同的基本思想，這一思想揭示傳熱過程的場(chǎng)協(xié)同規(guī)律，它不同于傳統(tǒng)以實(shí)驗(yàn)為主的研究，場(chǎng)協(xié)同從科學(xué)理論的角度去研究傳熱過程，發(fā)展適用于描述傳熱過程的具有普遍性規(guī)律的理論，揭示傳遞過程中具有共性和本質(zhì)性的規(guī)律。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在場(chǎng)協(xié)同方面作了不懈的努力，已取得了很大的進(jìn)展.四. 數(shù)值驗(yàn)證-6-H2邊畀辰流幼中尹廠値*夾舟段有兩個(gè)擾流子的平行板通道中的換熱:胡部幌熱系救的沿胖、甕化18ib-帚燒漲塩的平fr脈通適ii-l*：QJ.0.20上MO.S1.010-1.2iS:半廿極過道圖4加撫流子與無我莊子的平行板迪道內(nèi)平均.口隨見鬥變此S5加擾悅于片無扌I島二的平行版預(yù)逍的和卅iRfi矗茁變化

9、K'li平扳14說4:潸妹耗塊的于打叔通謨圖不加拭流干比流T的平行機(jī)妙帖的半嗎夾埔陸花旳變化插入有同心圓棒的圓管中流體的流動(dòng)換熱:匿H中心披第更厠背UMJ!uMAfhgnI：s光滑圄管被茸冋管K.n7I.Q1Et.s-*nt>.iz(.4o.ei.»12川7"£的平均網(wǎng)隨翻的雪f.1U帥陽g充滑同鶯與中心披埼區(qū)皆的和分，髓蘇的變化E10光徵圜菅與屮心被席阿管IN1調(diào)夾角陡"變代耳J-U/uir凹EirrL你丄詞凹EiII,'肉來4陡尿的陽匕Q二維叉排板換熱.通道與平直通道的對(duì)比：EIkEl/圖5XHJKK通追與爭(zhēng)直通從Ml-脈比輕國(guó)

10、聞夏排II片通道與平直iiat亦一陽此較ii順排翅片通道與平行平板通道的比較：2Cr-r-J5拌奇片遣HaraaJB柿標(biāo)亓謝魚二山肓?xí)A曲斤丄一屜吐昭Li引3isattn«ifria-/t比豊-7-五. 適用范圍 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0盡可能?。?90°）或0盡可能大（0>180°）; 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)）。六. 實(shí)際應(yīng)

11、用傳熱強(qiáng)化場(chǎng)協(xié)同的應(yīng)用可分為兩個(gè)方面：其一是對(duì)現(xiàn)有對(duì)流換熱現(xiàn)象和傳熱強(qiáng)化技術(shù)從新的角度去分析和討論，從而對(duì)它們有更深入和更本質(zhì)的認(rèn)識(shí)和理解；其二更為重要的是，基于場(chǎng)協(xié)同原理可以發(fā)展系列的傳熱強(qiáng)化與控制的新方法和新技術(shù)。1. 場(chǎng)協(xié)同原理對(duì)強(qiáng)化換熱的應(yīng)用等壁溫邊界圓管內(nèi)層流換熱的努塞爾數(shù)為常數(shù)，Nut=3.66;而對(duì)于等熱流邊界條件，努塞爾數(shù)也是常數(shù),Nuq=4.36，明顯高于等壁溫邊界條件下圓管內(nèi)層流換熱的努塞爾數(shù)。 在等壁面附近等熱流邊界條件下，其速度與溫度梯度的夾角小于等壁溫情況。在強(qiáng)化傳熱技術(shù)中，翹片得到廣泛的應(yīng)用。一般認(rèn)為翹片在強(qiáng)化傳熱中的作用主要是增加了熱阻大的一側(cè)流體的面積，從而減小

12、了以總面積計(jì)算的熱阻。 對(duì)室內(nèi)散熱器傳熱與流動(dòng)特性的數(shù)值分析中發(fā)現(xiàn)，翹片強(qiáng)化傳熱還有另外一個(gè)重要的原因，即改善速度與溫度梯度的協(xié)同程度，即減小協(xié)同角。 特殊的肋或插入物也可強(qiáng)化傳熱，根據(jù)場(chǎng)協(xié)同原理很容易分析出其原因，改變速度和溫度梯度的分布,使它們之間更加協(xié)同。常見強(qiáng)化管（波紋管、翹片管等）的強(qiáng)化傳熱機(jī)理均可通過場(chǎng)協(xié)同來解釋 通過在流道內(nèi)安裝三角形渦發(fā)生器可以產(chǎn)生縱向渦旋，以場(chǎng)協(xié)同理論為指導(dǎo)討論了在較低壁溫（小于120°C）時(shí)，Re=8007000內(nèi)，空氣介質(zhì)在強(qiáng)迫對(duì)流的情況下，水平加熱片上安裝三角形渦發(fā)生器的強(qiáng)化換熱機(jī)制。 用數(shù)值模擬方法將湍流流動(dòng)的傳熱分為傳熱層流底層和湍流層，來

13、考察傳熱層流底層中溫度梯度矢量與速度夾角對(duì)湍流流動(dòng)換熱的影響，用場(chǎng)協(xié)同理論分析了湍流條件下粗糙肋面的傳熱強(qiáng)化問題。2. 利用場(chǎng)協(xié)同原理指導(dǎo)強(qiáng)化傳熱技術(shù)的開發(fā)逆流、叉流和順流是換熱器3種典型的傳熱方式，其換熱效能優(yōu)劣次序已很清楚，而且可以有分析表達(dá)式。但是，在工程應(yīng)用中，由于工藝等因素有時(shí)需要應(yīng)用復(fù)合型場(chǎng)協(xié)同度來分析，就可以定量地分析比較各種類型換熱器的性能。 在相同傳熱單元數(shù)條件下順流、逆流、叉流等9種常見換熱器流體溫度場(chǎng)的協(xié)同數(shù)（均勻性因子）的數(shù)值和換熱效能的關(guān)系是冷熱流體溫度場(chǎng)的協(xié)同越好，則其換熱效能越大。 換熱器的場(chǎng)協(xié)同原理是通過改變冷熱流體的流動(dòng)方式來提高換熱性能，即冷熱流體的溫度越均

14、勻時(shí)，冷熱流體溫度場(chǎng)的協(xié)同越好，則換熱的效能就會(huì)越高，這為換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。根據(jù)這一原理，崔國(guó)民等提出了流場(chǎng)組織協(xié)變溫差場(chǎng)的多股流換熱器性能優(yōu)化方法。 對(duì)開縫翹片傳熱性能，在相同泵功下，開縫翹片的換熱特性是4種翹片（平直、三角波紋、正弦波紋以及開縫）中最好的，其傳熱量比平直翹片提高了40%左右。 同樣的開縫數(shù)目，把縫設(shè)置在流動(dòng)方向的下游要比放在上游好。采用三維數(shù)值模擬方法研究了翹片開縫位置的影響，從場(chǎng)協(xié)同原理的角度分析，發(fā)現(xiàn)使速度和溫度梯度協(xié)同是強(qiáng)化對(duì)流傳熱的根本機(jī)制，提出開縫要前疏后密，這也說明了場(chǎng)協(xié)同原理在指導(dǎo)新型強(qiáng)化換熱表面的開發(fā)中有著重要的作用。 溫差場(chǎng)均勻性原則的應(yīng)用，提

15、供了一種提高叉流換熱器熱性能的新方法一通過改善溫差場(chǎng)的均勻性來強(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。3. 多場(chǎng)協(xié)同與強(qiáng)化傳熱強(qiáng)化傳遞過程有兩個(gè)途徑，即增大過程推動(dòng)力或減少過程阻力。增大過程推動(dòng)力要增加能耗，而且還受到生產(chǎn)工藝、設(shè)備條件、環(huán)境條件以及經(jīng)濟(jì)性等方面的限制。減小過程阻力也有一定的限度。雖然速度場(chǎng)與溫度梯度場(chǎng)的協(xié)同可以強(qiáng)化傳熱，但其強(qiáng)化的力度有限。如果在傳熱過程中施加內(nèi)、外場(chǎng)力（磁場(chǎng)、超聲波場(chǎng)、離心力等）來強(qiáng)化傳熱，其傳熱效果將得到更為顯著的改善。下面從唯象理論的角度來分析多場(chǎng)協(xié)同的強(qiáng)化傳熱機(jī)理。根據(jù)線性非平衡熱力學(xué)理論，一個(gè)存在多種非平

16、衡過程的體系，如果體系中所有不可逆過程（非化學(xué)反應(yīng)過程）接近于平衡態(tài)，過程推動(dòng)力足夠小，則不可逆熱力學(xué)流Ji和不可逆熱力學(xué)力Xk的線性唯象關(guān)系式是24:Ji=ZLikXk（i，k=1,2,.,n）（4）式中，Lik為唯象系數(shù)。從式（4）可知，體系中的Ji是Xk產(chǎn)生流分量的線性組合。一種傳遞過程并不僅是由系統(tǒng)中存在的與其對(duì)應(yīng)的基本力場(chǎng)所引起的，也可以由其他力場(chǎng)作用產(chǎn)生。在傳遞過程中，當(dāng)存在多種力場(chǎng)作用于一個(gè)傳遞目標(biāo)時(shí)，這種多場(chǎng)對(duì)傳遞過程的作用是同時(shí)發(fā)生和影響的，存在著多場(chǎng)作用下傳遞過程的耦合問題。要促進(jìn)某種傳遞過程不僅是加強(qiáng)或減弱相應(yīng)的基本力場(chǎng)，同時(shí)還要改變與之相聯(lián)系的力場(chǎng)才能更好地達(dá)到目的，即

17、通過空間條件和各個(gè)場(chǎng)的協(xié)同作用控制傳遞過程而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。多場(chǎng)耦合在控制強(qiáng)化傳熱時(shí)起到重要的作用。七. 前景未來速度場(chǎng)和溫度梯度場(chǎng)協(xié)同的基本思想揭示了傳熱過程的場(chǎng)協(xié)同規(guī)律，它不同于傳統(tǒng)以實(shí)驗(yàn)為主的研究，場(chǎng)協(xié)同從科學(xué)理論的角度去研究傳熱過程，發(fā)展適用于描述傳熱過程的具有普遍性規(guī)律的理論，揭示傳遞過程中具有共性和本質(zhì)性的規(guī)律；過程或運(yùn)動(dòng)是由場(chǎng)力推動(dòng)的,而能量是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式的度量,因而任何能量的傳輸與轉(zhuǎn)換過程,都是在一定空間和時(shí)間條件下體系內(nèi)外各種場(chǎng)的相互作用下進(jìn)行的。場(chǎng)協(xié)同是一種普遍現(xiàn)象,不同場(chǎng)之間可控制某些參量使其協(xié)同,以達(dá)到按目的過程進(jìn)行或能量有效傳輸和轉(zhuǎn)換。目前,實(shí)驗(yàn)研究所發(fā)現(xiàn)的場(chǎng)協(xié)同現(xiàn)象已經(jīng)越來越多。例如,在電場(chǎng)作用下,沸騰傳熱系數(shù)可以增大一個(gè)數(shù)量級(jí)；微波可以使有效成分的萃取時(shí)間縮短為幾十分之一,等等,這都是由于外場(chǎng)與內(nèi)場(chǎng)協(xié)同作用的結(jié)果。深入研究這些空間條件和場(chǎng)相互作用的內(nèi)在機(jī)制是研究能量的轉(zhuǎn)換與傳遞過程重要途徑。場(chǎng)協(xié)同原理不僅能統(tǒng)一地認(rèn)識(shí)現(xiàn)有對(duì)流換熱和傳熱強(qiáng)化現(xiàn)象的物理本質(zhì),而且它還能指導(dǎo)發(fā)展新的傳熱強(qiáng)化技術(shù)。但僅從改善基本力場(chǎng)協(xié)同程度的角度來強(qiáng)化換熱的力度是有限的,如果在整個(gè)對(duì)流換熱區(qū)域內(nèi)施加力場(chǎng)并控制其方向,使各種場(chǎng)協(xié)同的更好,其傳熱效果將進(jìn)一步得到提升?？稍谥髁黧w中加入另種組分的物質(zhì)并控制濃度梯度與速度的方向來強(qiáng)化對(duì)流換熱,若加入的物質(zhì)是某種電解質(zhì)或磁介質(zhì)同時(shí)