场协同理论沈航.docx
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场协同理论沈航
场协同原理
---------------传热学
学院:
航空航天工程学部
专业:
热能与动力工程
班级:
04040203
学号:
*************
******
一.场协同原理
为了分析流体流动过程,降低流动阻力,提出了流动速度与速度梯度在整个流动区域内协同的概念,认为流体在流动过程中所受的阻力不仅受流动速度和速度梯度的影响,同时也取决于它们之间的协同程度.在此基础上,提出了流体流动过程中的最小机械能耗散原理,认为在整个流动区域内,流动速度与速度梯度的协同程度越低,流体流动过程中的黏性耗散越小,流体阻力也越小.同时,根据最小机械能耗散原理,在一定约束条件下对黏性耗散函数求极值,获得了流体流动场协同方程,求解场协同方程获得了最佳流场,使流体在流动过程中的黏性耗散取最小值,流动阻力最低.最后,以并联管路的流量分配为例,根据最小机械能耗散原理对速度分配器进行了优化设计,降低流体在并联管路中的流动阻力.
二.场协同原理的适用性
从边界层(抛物型)流动推广至回流(椭圆型)流动;
从层流流动推广到湍流流动;
从稳态流动推广到一维瞬态流动;
从单股流流动推广至两股流换热器。
三强化换热器传热性能研究的重要性
由于传热强化技术能够提高各种换热设备的效率、降低其质量和体积,所以一直受到科技界和工业界的重视。
20世纪70年代初出现的世界性能源危机,使传热强化技术获得了快速发展。
到了90年代初,每年发表的有关传热强化的文献成倍地增长[1-3]。
这是因为换热器在国民生产各部门
具有举足轻重的地位,尤其在制冷空调领域更是重
中之重。
根据传热的基本公式Q=KF$t,换热量Q的增加可通过提高传热系数K、扩展传热面积F和加大传热温差$t来实现[4]。
围绕上述3条增强传热的基本途径而采取的一系列技术措施即形成增强传热的方法[5-6]:
1改变流体的流动情况;o改变流体物性;改变换热表面情况。
其中第1种方法可以通过增加壁面粗糙度、改变换热面形状和大小、改变表面结构及进行表面涂层实现。
笔者在场协同原理的基础上,结合第?
种方法对翅片管式换热器进行换热性能的强化。
四对流强化的物理机制及场协同原理
4.1对流强化的物理机制
通常认为,热量传递有3种模式,即热传导、热对流和热辐射。
在翅片管式换热器的工作中经常是3种换热形式同时存在,但以对流换热为主。
对流换热(热对流)的物理机制是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。
但从另一角度来看,对流换热本质上是具有内热源的导热,流体的运动起着当量热源的作用。
对流换热的强度与当量热源的强度有关,它不仅取决于流体与固壁的温差、流动速度和流体热物理性质及运输性质,而且还取决于流体速度矢量与热流矢量的夹角。
当流体的速度矢量处处与热流矢量平行时,热源强度最大,使换热得到大幅度强化,而当流体的运动都是沿等温线进行时,流体运动对热量的运输毫无贡献,等价于纯导热模式[7]。
因此,对流换热强度一定高于纯导热的认识实际上是一种误解。
严格地说,对流换热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,而没有导热,对流换热的模式就无法存在。
4.2对流强化的场协同原理[7]及其应用在流速和流体的物理性质给定的条件下,边界上的热流(界面上的换热强度)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。
而流动当量热源不仅取决于速度场和热流场本身,而且还取决于它们之间的夹角,即不仅取决于速度场、热流场、夹角场的绝对值,还取决于这3个标量值的相互配合。
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,此时称之为速度场与热流场协同较好。
鉴于对流换热中流场与温度场(热流场)是耦合的,所以要改善场的协同以强化传热并不是很容易的,但是可能的,可以从3个方面来进行。
1)改变热边界条件。
当流体的物性随温度变
化很小时,热边界条件的改变不会影响原来的流场。
等壁温与等热流的充分发展管流的Nu的差别就是因为它们的热边界条件不同。
对于边界热流一定时,是边界热流沿流向增加的分布就能强化换热。
在温度边界条件的情况下,平均温度相同时(流体被加热时),如能使壁温沿流向升高时,传热
就能强化。
2)改变速度分布。
速度的改变必然导致温度场(热流场)的改变,但是可以有意识地通过速度边界条件的改变使速度热流矢量的夹角减小或者是3个标量场的配合更好,从而强化换热。
对于常规的管内流动换热,孟继安[8]等采用周期性的改变椭圆界面放置,从而改变管内流场。
3)特殊的肋或插入物[9]。
按照场协同原理设计的肋和插入物与常规情况不同,它不是为了增加传热面积,也不是为了增加湍流度。
例如纤毛状插入物,它是由高导热材料组成,由于金属丝与管径相比很细,故称之为纤毛状。
若金属丝与管壁接触好,则称纤毛肋;若不完全接触则称纤毛状插入物。
纤毛丝很稀疏地布置在管内,填充率仅为0.5%~1.0%[8]。
五强化翅片管式换热器传热系数的方法及计算
5.1换热器中的场协同原理
换热器强化的场协同原理可以表述为:
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[7]。
换热器性能的提高实际上可以通过2个层次进行:
第1个层次是提高流体与壁面间的对流换热系数,包括各种肋片、插入物、紊流发生器等;第2个层次是在相同的对流换热系数条件下,通过其他方式提高换热器的性能,例如改变热边界条件等。
笔者所述的用场协同原理提高换热性能就是从第2个层次提高换热器性能,改变管截面形状,即将翅片管式换热器的圆形管截面改为椭圆形管截面。
对于叉流换热器(翅片管式换热器就是叉流式换热器)可通过重新分布换热面积,增加温差场的均匀性,改善冷热流体温度的协同,从而提高换
热器性能。
当换热面积具有最佳分布时,叉流换热器的效能可与逆流换热器的效能相当,因为本身逆流式换热器的换热性能优于顺流式和叉流式。
5.2矩形翅片椭圆管束换热器的传热系数计算
六结论
由表2和表3可见,椭圆管管束的换热量比圆管管束的换热量提高15%左右,而阻力则降低18%。
所以在满足场协同原理的情况下,采用椭圆管作为基管,不但可以提高换热器的传热性能,而且还可以降低其阻力系数。
但由于椭圆管的制造工艺复杂且承压能力小,所以应用椭圆管时,管子内外的压力差不宜过高,以防止椭圆管变形,这是在实际应用中应该注意的问题。
七场协同原理中几个技术指标的重定义及提出
过增元在原理中指出有效的强化对流换热,需要从以下三方面考虑:
1.速度与温度梯度矢量间夹角余弦的绝对值尽可能大,可称为大值原则;
2.尽可能实现速度场与温度场国家重点基础研究发展计划(973:
2007CB206903)及山东省中青年科学家奖励基金项目(2005BS09003)资助项目。
通讯作者:
冷学礼(1977~),山东大学能源与动力工程学院讲师.度梯度场间大值与大值的搭配,即使大值尽可能同时出现在整场中的某些区域上,可称
为匹配性原则;
3.流体的速度剖面与温度剖面尽可能均匀,可称为均匀性原则;该原则的评价方法已经成功建立。
以下主要阐述前两个原则的评价方法.
(1)改进场协同原理在换热面微元上协同角的表达方式.在不考虑粘性耗散产生热量的情况下,流体以完全相同速度流向换热表面和远离换热表面将带来相同的传热效果,因此将场协同原理中协同角的定义由
改进为
这一改进使协同角限制在0°~90°范围内,更符合实际对流换热的情况及后续问题的处理.
(2)改进协同角在整个换热表面上的算术平均方式.由许多文献中采用的角平均
改进为角余弦的平均
因为在场协同原理中真正起到协同作用的是角的余弦值而非角度值,这一改进可以更真实体现换热面上场协同性能的均值.
(3)提出带有速度权的加权平均协同角方式.,称为
积分平均协同角,其中VL为流体的流动速度.
(4)提出通过积分平均协同角余弦与算术平均协同角余弦的比值衡量面上的场协同匹配性能.
(3)
K值为基于边界层外流动作出的针对场协同匹配性能的评价参数,暂称为协同匹配系数.
(5)提出无量纲c-V图评价面上场协同匹配性能分布及分析上面的分析指出了整个换热面上场协同的算术平均协同角、积分平均协同角对整个换热面上场协同匹配性能的影响,但不能体现面上的场协同匹配分布。
对于面上场协同匹配分布的统计情况,可以使用如下方法进行评价。
假设面上有n个离散点,每点所占的面积相等,不考虑面积权值带来的影响,定义面上点i处流场与温度梯度场夹角的无量纲余弦值ic为:
(4)
同样,定义各点处流体流动的无量纲速度VL,i为:
(5)
同时我们看出,只要换热面上的流场与温度梯度场形成的协同角不相等,则会出现无量纲余弦值大于1的情况,与三角关系相悖,因此暂称为无量纲协同角余弦值,简称无量纲余弦值。
对于换热面上各点流场与温度梯度场的协同情况,以无量纲速度VL为横坐标,以无量纲余弦值c为纵坐标,则面上各点流场与温度梯度场的协同匹配情况可以在无量纲c-VL图上表示出来,如图1所示。
VL=1与c=1两条直线将第一象限分成ABCD四个区域,这两条直线暂称为匹配分界线,由于无量纲数的平均值为1,因此不可能所有的数据均出现在匹配分界线的同一侧。
对于分布在各区内的数据,如图1所示,面S2的VLc-图上数据出现在A区和B区较多,说明在面S2上实现了速度大值与协同角余弦大值的匹配。
因为数据不可能同时出现在A区,则剩余的速度小值与协同角余弦小值自然也进行搭配,出现在B区。
这种场协同匹配效果将比面S1的c-VL图体现的场协同匹配效果好。
无量纲c--VL图表示的是面上各点的速度与协同角余弦值在统计上的分布程度,即忽略了数据所在的坐标,仅从数据值入手进行分析。
面S2的无量纲数据在横坐标或纵坐标投影后,所占的范围比面S1数据所占范围小,说明面S2上的速度与协同角余弦值在换热面上的均匀程度要比面1上的均匀程度好。
需要说明的是,本文中的无量纲余弦值很大,并非代表面上的协同角余弦值很大,仅能代表该余弦值比面上的余弦平均值大,对于无量纲速度亦然。
针对本文中的K数,在本节中采用离散点上的数据也可以得到表示。
(6)
由此可以看出,K值可以表示为面上各点的无量纲速度VL与无量纲夹角余弦值c乘积的平均值。
如图2所示,同时在面上以c=1/VL曲线作K值分界线,简称K线。
可
以看到,在K值分界线内侧的点均对增加K值有利,在K值分界线外侧的点均对增加K值不利。
因此在c--VL图上,场协同的匹配信息得到一定程度的展示。
同时从c--VL图中我们还可以看到,若要增大换热面上场协同的Fc数,应该尽量对流体及壁面采取措施,将C区和D区的部分数据尽量移至K线的内侧(注意:
移后的K线与匹配线位置将发生变动),在最好的情况下是将其移动到A区与B区。
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- 关 键 词:
- 协同 理论