第2章传热学场协同
基于场协同原理的强化传热新视角
基于场协同原理的强化传热新视角
传热是热力学的基本过程之一，涉及到热能从一个物体传递到另一个物体的过程。
传
热的研究可以帮助我们理解和改进许多工业和自然过程，如能源转化、热管设计、电子设
备散热等。
传热的方式有三种：传导、对流和辐射。
传导是热量在固体或流体中的直接传递，对
流是液体或气体中由流动引起的传热，辐射是热能以电磁波的形式传递。
过去的热传递研究主要关注传热方式的独立性，即在不同传热方式之间没有相互作用。
实际情况中，传热过程通常是综合各种传热方式的结果。
了解多种传热方式之间的相互作
用对于准确预测和优化传热过程至关重要。
在这方面，基于场协同原理的新视角提供了一种独特的方法。
场协同原理认为，不同
传热方式之间的相互作用的本质是因为它们共享相同的物理场。
传导和对流之间的相互作
用是通过物质的运动和温度分布之间的耦合来实现的。
辐射和对流之间的相互作用是通过
介质的吸收和辐射能量之间的关系来实现的。
基于场协同原理的新视角还可以帮助我们优化传热过程。
通过理解不同传热方式之间
的相互作用，我们可以设计更有效的传热设备和系统。
可以通过调整流体流动的方式来改
变对流和传导之间的相互作用，从而提高传热效率。
该新视角还可以用于优化材料的热传
导性能，从而改善传热设备的性能。
场协同原理(传热)
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=Re•Pr和Nu=0,一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][3]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。
传热学第二章(2)精品PPT课件
t2
tf2
三层平壁的稳态导热
1-8
10.10.2020
Department of Thermal Energy Engineering
有内热源时的导热
电机绕组线圈和输电线、电缆的冷却，核电站中核燃料元件的释 热，水泥的固化，微波加热食品以及半透热介质对辐射的吸收 等. 特点：通过有内热源物体中各等温面的热流量不再处处保持相等， 而是从绝热面到边界面具有一种累加的效果.
q(x)V x
Heat and Mass Transfer
1-11
10.10.2020
Department of Thermal Energy Engineering
变导热系数问题
实际工程问题的需要. 材料的导热系数一般随温度呈非线性变化。但只要温度范围不 很大，可以近似视为线性. 通常表示为：
0(1b)t
图2.4 复合平壁导热与等效热网络
• 温度场和热流场很难 继续保持严格的一维;
• 只要并排两种材料的导 热系数相近,仍按一维问 题处理不失为一种合 的假设和简化处理方法.
Heat and Mass Transfer
1-6
10.10.2020
Department of Thermal Energy Engineering
1-7
10.10.2020
Department of Thermal Energy Engineering
多层、第三类边界条件
q
1 h1
tf1 tf 2
n
i1
i i
1 h2
单位：
W m 2
tf1 h1
t2
t3
h2
tf2
传热系数？
传热学第二章
阻，试确定稳态工况下燃料层的最高温度、燃料层与铝板
的界面温度及铝板的表面温度，并定性画出简化模型中的
温度分布。
传热学第二章
解：据题可知，这是一个结构对称的有内热源的导热问题，
hP(t
Ac
t)0
引入过余温度 tt ；令
则有：
d2
dx2
m2
m hP const
Ac
混合边界条件：
x0时，＝0＝t0 t xH时，ddx 0
传热学第二章
方程的通解为：
c1em xc2emx
应用边界条件可得：
c1
0
e mH emH emH
c2
0
emH emH emH
最后可得等截面内的温度分布：
稳态时，套筒得到的热流=筒身的导热+套筒的辐射换热
∴ 套筒的壁面温度<压缩空气的温度
即：温度计的读数不能准确地代表被测地点处的空气温度。
(2) 把套管看成是一个截面积为d的直肋，测量误差就等于套
管顶端的过余温度，即
H=tH－tf
根据肋端过余温度的计算公式
H
t0 tf ch(mH)
可得
tf
tHch(mH)t0 ch(mH)1
t
2
(
2
x
2
)
tw
2. 有无内热源导热问题的比较
(1) 无内热源的平壁导热，其内温度成线性分布；而有内热源 的平壁导热，其内温度成抛物线分布。
(2) 无内热源的平壁导热，其通过板内任意断面的热流密度相
等，即q=const，而有内热源的平壁导热，其通过板内任
传热过程中的场协同作用应用分析
传热过程中的场协同作用应用分析
场协同作用是近几十年来科学家们研究的一个热点前沿性课题，它也可以应用于传热过程之中。
在传热过程中，场协同作用的概念及应用，其起着重要的作用。
所谓场协同作用，指的是一定范围内，多场或多物性之间相互作用，其效果是大于各单独场或物性作用之和，或等于它们的总和。
传热过程中，场协同作用分为直接协同作用和间接协同作用，其中直接协同作用又可以分为绝对型和相对型。
对于绝对型的直接协同作用，当有一种作用场存在时，传热率可以超过多存在两种作用场中最大传热率的那种作用场。
例如，当湍流流体运动携带有热能时，气体流体在运动中受到电磁场的影响，可以使传热率升高，从而更好地传递热量。
而相对型协同作用，则指场与场之间或物性与物性之间相互作用，其和少于各单独场或物性作用之和。
例如，当电磁场和热场被耦合在一起时，其传热率较两个存在单独的场的传热率的和低一些，这源于当场与场之间相互作用时，会出现抵消或削弱的情况，使得热量的传递得不到很好的控制。
传热过程中科学家们对场协同作用的研究，几乎影响了几乎所有的工程领域，尤其是能源和动力系统等。
例如，在水力系统中，可以利用热场协同作用，来改善水中热量传输的能力，提高水力发电机组的运行效率。
总之，随着科学技术的发展，研究把场协同作用运用到传热过程中，对传热过程有着重要作用，而且能实现热量传播质量的提高，同时从传热领域和节能减排领域都能产生重大的科学经济效益。
基于场协同原理的强化传热新视角
基于场协同原理的强化传热新视角传热是现代工程实践中的一个重要问题，其在许多领域都具有极其重要的应用，如发电、空调、冷却等。
因此，如何提高传热效率、降低传热阻力是一个长期存在并值得研究的问题。
场协同是多学科交叉研究的一个重要内容，其本质是指场之间的相互合作与共同发挥作用。
传热领域也有类似的概念，称之为传热协同。
一般而言，传热区域内存在的多个物理场互相耦合，相互影响。
传热协同的研究就是寻找这些物理场之间的协同关系，并利用这种关系去提高传热效率以及降低传热阻力。
近年来，传热协同原理已经成为热科学领域研究的一个新方向。
传热协同原理包含以下几个基本部分：多场耦合、协同增强、协同优化以及协同减阻。
其中，多场耦合指的是传热区域内存在不止一个物理场，这些场之间相互交换物质、能量、动量等，并通过物理作用机制实现传热。
协同增强指的是在多场耦合的基础上，通过相互作用的方式，使得传热效率得到增强。
协同优化指的是在协同增强的基础上，利用不同场之间的协同关系，从而优化传热系统，使其在设计、运行等方面得到优化。
协同减阻指的是在协同优化的基础上，通过改变场之间的作用机制，实现对传热阻力的降低。
在传热协同的研究中，场之间的相互作用机制是非常重要的。
传热区域内存在的多个物理场之间可以通过热对流、热辐射、热传导等方式进行相互作用，其中，热对流以及热辐射作用尤其重要。
热对流作用是指通过液体或气体的流动，将热量带走的过程，因此对于流体介质中的传热具有重要作用。
热辐射作用是指通过辐射的方式，将热量从一个物体传递到另一个物体的过程。
在太空、真空等环境下，热辐射作用成为热传递的主要方式。
在场协同的基础上，我们可以通过改变场之间的作用机制，从而实现对传热效率以及传热阻力的调节。
例如，在热对流传热中，我们可以通过改变流体的流速、流量等参数，从而实现对传热效率的调节。
在热辐射传热中，我们可以通过改变物体表面的发射系数、反射系数等参数，从而实现对传热效率的调节。
基于场协同原理的强化传热新视角
基于场协同原理的强化传热新视角传热是物体之间热量传递的过程，是各种工程和科学领域中的重要问题。
传热的目的是为了使物体之间的温度趋于均匀，以满足热流的要求。
强化传热是指通过改变传热介质或传热界面的某些特性，来提高传热效率。
场协同原理是近年来工程热物理领域的一个新兴概念，指的是在传热过程中，不同的场（如温度场、流场、应力场等）之间的相互协同作用。
场协同原理认为，在传热过程中，不同场之间的相互作用会影响传热效果。
传统的传热理论往往只考虑了温度场的影响，而忽略了其他场的作用。
在实际的传热过程中，流体的运动状态、介质的物理性质以及传热界面的形态等因素都会对传热效果产生重要影响。
在对流传热过程中，流体的流动状态对传热效果有着重要影响。
当流体处于湍流状态时，流体的混合程度较高，传热效率也相对较高。
而当流体处于层流状态时，流体的混合程度较低，传热效率也相对较低。
通过调节流体的流动状态，可以实现对传热效果的强化。
介质的物理性质也会对传热效果产生影响。
传热介质的热导率、密度和比热等物理性质都会影响传热速率。
通过选择合适的传热介质，可以实现对传热效果的强化。
传热界面的形态也会对传热效果产生影响。
在接触传热过程中，传热界面的表面粗糙度会影响传热界面的接触面积，从而影响传热速率。
通过调节传热界面的形态，可以实现对传热效果的强化。
基于场协同原理的强化传热新视角提供了一种全新的思路和方法来优化传热过程。
通过综合考虑温度场、流场、应力场等不同场之间的相互作用，可以实现对传热效果的精确控制，进而提高传热效率。
这一新视角为传热工程的发展和应用带来了新的机遇和挑战。
基于场协同原理的强化传热方法不仅能够提高传热效率，还能够降低能耗和环境污染，具有重要的理论和实际意义。
场协同理论与换热器强化传热技术
置 。
程 强 化 结 构 等 强 化传 热方 法 。
以 上 强 化 传 热 技 术 的 应 用 使 得 换 热 器 强 化 效 能 得 到 很 大 提 高 ， 存 在 一 个 普 遍 的 问 题 就 是 传 热 强 化 的 同 时 ， 动 阻 力 但 流
传 热 技 术 得 到 了迅 速 的发 展 和 应 用 ．它 不 但 能 节 约 大 量 的 能
源 ， 且能大大减少设备的重量和体积。 而
的 帮 助 ， 要 包 括 电 磁 场 强 化 对 流 、 热 表 面 振 动 、 流 冲 击 主 传 射 强 化 传 热 及 机 械 搅 动 、 转 等 强 化 技 术 。无 源强 化 传 热 技 术 除 旋
能涯 环境
Ｉ ＳＮ １６７２—９０６４ 。 Ｓ
场 协 同理 论 与 换 热 器 强 化 传 热 技 术
赵 珍 强 王 婷 ｚ
（ 海 军后 勤技 术 装 备研 究所 北 京 １ ０ ７ １ ００２ ２ 北京 国际 电力 新 能 源有 限公 司 北 京 １０ ７ ） ０ ０ １
换 热 的传 热 量 可 用 Ｑ ｋ Ａ ＝ Ｆ Ｔ计 算
片 管 等 异 形 强 化 管 的方 法 和 加 装 扰 流 装 置 、添 加 物 及 采 用 壳
其 中 ，一 ｋ 传热 系数／ （ Ｉ Ｆ 传热 面积／ ２Ａ 一 Ｗ／ ・ 一 ｍ ｑ； ｍ ； Ｔ 冷热 液
体 的平 均 温 差 ， 。 可 见 ， 加 传 热 量 的 方 法 是 ： Ｋ 增 （） 加 冷 热 液 体 的 平均 温差 △ 。 实 验 数 据 表 明 ： 冷热 １增 Ｔ 在
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
中国 南京
• 将二维热边界问题式(2a)中的左边对流项改写为 矢量形式 速度矢量 T t ,x qw ( x) (4) 0 cp U T dy - y w
• 引入无因次变量
U T U , T , U (T - Tw )/ t
y
y
t
能源与环境学院
强化传热技术
2016/10/14
2.5发展强化传热的新方法和新技术
中国 南京
• 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。 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，从而强化传热。 – 特殊的肋或插入物。
能源与环境学院
强化传热技术
2016/10/14
7）流体纵掠二维顺排平行板束的湍流换热
中国 南京
• L1=L2，H/L1=1 ， d/L1=0.2~0.4,
能源与环境学院
强化传热技术
2016/10/14
8）流体纵掠二维叉排平行板束的湍流换热
中国 南京
• 几何尺度与顺排 板束相同
能源与环境学院
• 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：
– 将数值计算的两者之等温线比较：
能源与环境学院
强化传热技术
2016/10/14
中国 南京
• 充分发展流的流线 均平行于轴线。热 流方向垂直于等温 线，并朝向低温方 向。 • 等壁温：壁面处速 度矢量与热流矢量 的夹角β为90°。 • 等热流：壁面处速 度矢量与热流矢量 的夹角β小于90°。 • 夹角微小的变化就 可形成Nu数较大的 差异。
第二章 场协同原理及应用 field synergy principle 1.1 概述
中国 南京
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。 逆流 • 强化传热的着眼点 Q KFt m – 传热系数K
– 传热面积F – 传热温差Δtm
狭义
翅片,紧凑
• 传统理论解释强化传热的物理机制：
T ( x, y) -q (1b) y y
q w ( x) (2a)
w
• 对流换热可以比拟为具有内热源的导热问题， 两边 cp u x v y dy - y
能源与环境学院
强化传热技术
2016/10/14
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， Pr=0.7
中国 南京
能源与环境学院
强化传热技术
2016/10/14
4）二维叉排板束与平板通道的比较,层流
中国 南京
• H=L，t=H/3
Nu
0.5 c Re x
0
0.332
Pr
0.33
(23)
vw U
Re
-0.45
0.945
-0.25
0.523
+0.25
0.165
+0.375
0. 094
c
能源与环境学院
吸出主流
强化传热技术
吹进主流
2016/10/14
中国 南京
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β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β增大，且壁 面附近处β＞90°,此时流 动起热汇作用,换热减弱。
– 提高Re数 – 提高Pr数 – 增加无因次积分值。 1 I U T dy f ( Re x , Pr) (8) 0 • 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β<90°时，减小速度矢量和热流矢量的夹角。
能源与环境学院
强化传热技术
2016/10/14
中国 南京
• 又如冲击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 数？ • 等等都可从速度与热流矢量夹角减小找到原 因。 • 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
能源与环境学院
强化传热技术
2016/10/14
• 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 强化的物理本质，指导发展新的传热强化 技术（高效低阻）。
能源与环境学院
强化传热技术
2016/10/14
2.2 对流传热的物理机制
中国 南京
• 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。 • 以下从另一角度审视。
– 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。
能源与环境学院
强化传热技术
2016/10/14
中国 南京
• 定义对流换热的场协 Nu Fc U T dy (14) 同数 Re Pr • 鉴于无因次积分中 cosβ总是小于1，当 Fc=1时速度场与热流 场完全协同。这是对 湍流管内流动 流换热强度的上限。 • 实际情况低了1~2个数 量级，说明有很大潜 力。 平板湍流边界层 • Fc随着Re增大而减小。平板层流边界层
强化传热技术
2016/10/14
9）内环肋管道中的湍流换热
• 肋高比H/D=0.1，0.2； • 肋距比P/H=15、10、8等； • W= H
中国 南京
能源与环境学院
强化传热技术
2016/10/14
10）翅片作用的分析
• 翅片管
中国 南京
, T Tw
(5)
• 整理得
Re x Pr
1 U 0
T dy Nu x
(6)
能源与环境学院
强化传热技术
返回
2016/10/14
中国 南京
• 被积因子
U T U T cos
(7)
• 其中β是速度矢量与温度梯度矢量（热流矢量）的夹角。 • 由式(6)可见，换热强化有3方面的途径：
热边界层厚度
0
t ,x
T x, y dy - q y
q w ( x) (2b)
w
强化传热技术 能源与环境学院 x截面处热源总和 x处壁面热流
希望右边大， 就得左边大！ 2016/10/14
中国 南京
• 同理可得三维边界层问题的对流换热能量方程 空气冷却器中 有放热化学反应的 T T T T T T cp流体加热冷壁时， q 喷水蒸发时， u x v y w z x x y y z z 能强化换热。 对流换热能强化。 • 移项后积分得
0
t,x
T T T T T T c u v w q d y p x y z x x z z y
– 壁面与中心流体的混合 – 边界层减薄 – 二次流、湍流
有些强化传热技术的机 制不能解释或解释不清
• 普遍存在的问题：传热获得强化的同时，阻力也相应 增大。
能源与环境学院
强化传热技术
2016/10/14
中国 南京
• 新的强化传热技术（第三代/第四代）
– 三维肋 – 三维粗糙元 – 纵向涡发生器 – 复合强化等
能源与环境学院
强化传热技术
2016/10/14
中国 南京
2)壁面可穿透的平板边界层（等温壁面有垂直于主流 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速vw与主流U相比很小时有如下 分析解（相似解）
T ( x,y,z)
cos ( x,y,z )
强化传热技术
2016/10/14
2.3.2 场协同数
中国 南京
由式(6)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 在Re数、Pr数一定时，Nu数取决于无因次流动当 量热源。 • 取决于速度场、热流场本身，以及它们之间的夹角。 • 式(6)中的积分值高则速度场与热流场协同较好。
能源与环境学院
强化传热技术
2016/10/14
5）二维波纹型通道与平直通道对比,层流
中国 南京
• Rm/S=0.6, L/S=1.84, H/S=0.6
能源与环境学院
强化传热技术
2016/10/14
6)二维渐扩－渐缩通道与平板通道的对比,层流
中国 南京
• Hmax/Hmin=2, L/Hmin=3
能源与环境学院
强化传热技术
2016/10/14
1）交叉缩放椭圆截面管
中国 南京
• 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2个椭圆管的长轴（短轴） 相互垂直，交接处形成2个方向交替收缩和扩张。
能源与环境学院
强化传热技术
2016/10/14
2）纤毛肋
中国 南京
• 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 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 功耗条件下，换热强化可达200%以上（Re<2000）。