基于场协同原理的强化传热新视角

施慧勇

摘 要：分析了基于平板层流边界层能量方程而得出的对流换热场协同理论的局限性。从流体微元的能量守恒原理出发，充分的论述了对于同种流体强化其换热的有效途径就是强化对流，得出更为通用的速度场与热流场的强化传热协同理论，拓展了流体对流换热的场协同理论的适用范围。

关键词：强化传热，场协同原理，对流换热

1 引言

传热学这一门学科是在18世纪30年代英国开始的工业革命使生产力空前发展的条件下发展起来的。自从传热学形成独立的学科以来，强化传热问题始终是人们关心的重要课题。特别是上世纪世纪50年代以后，石油危机的爆发，对世界经济造成巨大影响，国际舆论开始关注世界“能源危机”问题，使得各国学者对强化传热的研究热情达到前所未有的高度。相关文献发表量大增，产生了一大批高效、实用的强化传热技术，应用于社会生产实践中，产生了巨大的经济效益和良好的社会效应。1998年，我国学者过增元在研究对流换热时，从边界层能量方程出发提出场协同原理，从流场和温度场相互配合的角度重新审视对流换热的物理机制，使得人们对强化传热有了新的认识。

2 对流换热的机理分析

2.1 场协同理论简介

场协同理论的完整表述为：“对流换热的性能不仅取决于流体的速度和物性以及流体与固壁的温差，而且还取决于流体速度场与流体热流场间协同的程度。在相同的速度和温度边界条件下，它们的协同程度愈好，则换热强度就愈高”。

对于二维边界层流，δt是热边界层的厚度。式（3）表明，热源项在积分域内的总和（即源总强度）就等于壁面热流密度，也就是说只要设法提高总源强度就能强化传热，反之则能削弱换热，这被称为源强化。对于流体加热固壁，热源的存在使换热强化，热汇的存在使换热减弱，而当冷却固壁时则相反。

从（4）和（6）式可以看出，改变流速、溫差、流体物性或者改变Re数和Pr数就可以控制对流换热的强度，然而从矢量点积中可以看到，速度矢量和温度梯度，或者说速度矢量和热流矢量的夹角β对热源的大小（即对流换热的强度）起着很重要的作用。当它们的夹角β小于90°时，β越小则对流换热系数越大，当β=0°时，可以达到最大值。通过上述分析可知：对流换热的强度，不仅取决于流速、温差和流体物性，还取决于速度场与热流场的相互配合。从矢量看，这是速度和热流矢量两个场的协同，从标量看则有3个：速度绝对值、热流绝对值和两者夹角的余弦值。只有当它们的值同时大时，才能使（7）式的值明显增大。从以上的推导可以看出，场协同强化传热是基于平板层流边界层能量方程提出的，对于在其它情况下平板边界层能量方程是否适用，以及三维情况下的推广没有充分的证明，使得其在实际应用中有一定的局限性。

2.2 场协同强化传热的新论述

我们可以换一种角度思考问题，不必拘泥于边界层的能量方程。我们建立能量方程、动量方程、连续性方程等，目的是为了通过建立这些方程，对这些方程求解得出流体的流场及温度场分布，从而知道其流动与换热情况，以便采取合适的强化换热措施。我们不从具体的特定条件下出发，求解某一方程就不会受其约束条件的限制，得到的结果就更具有通用性。

3 结论

从流体微元的能量守恒原理出发，重新审视了强化对流换热的场协同理论，充分的论述了对于同种流体强化其换热的有效途径就是强化对流，得出了更为通用的速度场与热流场的强化传热协同理论，拓展了流体对流换热的场协同理论的适用范围，为强化对流换热技术提供了更为坚实的理论基础。

参考文献：

[1]杨强生.对流传热与传质[M].北京：高等教育出版社，1985.