层流传热高粘流体强化

高黏层流流体的换热在工业中十分普遍，例如石油炼制中重油的加热或冷却，化工、食品、制糖等工业中高黏度物料的加热或冷却等，这些物料的换热通常在层流状态下操作。上述流体在工业换热器流动呈层流状态。从理论上讲，在层流条件下简单地采用提高流速的方法是不能有效地提高努赛尔数的。在无限长充分发展的传热流道中，无论是恒壁温或恒热流条件，传热努赛尔数均趋向于一常数。因为分子导热的传热速率极低，高黏度流体热量传递最大的障碍在于流道中心区域流体的热量很难完全依靠分子导热的途径传递到流道的近壁区域，这导致在流道主流区与近壁区的流体间会形成类似绝热的两层平行流体，仅靠提高流体的轴 向流速不能将主流区的热量有效地传递至近壁区。

文献 从层流流体有效传热温差的新视角出发,分析与探讨了换热器层流传热的强化理论。首先对层流流体有效传热温差的现象、细节及其变化规律进行了分析,揭示了采用插入物强化层流传热的内在强化机理,探讨了有效传热温差缓变特性的合理利用方法,提出了改善层流有效传热温差的寻优途径；其次,分析研究了缩放管粗糙传热肋面与插入物相配合的协同传热强化机理,揭示了粗糙肋面协助改善层流有效传热温差的作用与规律。得出如下结论：① 由于流体主流区与近壁区之间分子导热速率太低，不能实现两区间的远距离热量输送，因此必须在流道中合理地安置插入物才能把主流区的热量跨区对流置换到近壁区，其目的是提高表观传热温差的有效利用率 ；②因为插入物对流体的阻力大，传热强化的代价高，所以应该寻找前后置换之间的最佳距离，尽可能地减少流体输送功耗 ，降低传热强化的代价，在无插入物的缓冲区间应充分利用有效传热温差的缓变特性，提高传热速率，其目的是提高传热与流阻综合性能评价因子；③采用缩放管加插入物的复合强化传热方法，将缩放管的近壁对流置换与插入物的有效传热温差改善这两个强化因素协同起来，对插入物下游区的传热可获得良好的协同强化效果。

文献 则采用正交原理实验设计方法，使用新鲜的润滑油为工质，对高粘度流体在叉排列三维内肋管中的流动和传热特性进行试验研究，发现：叉排列三维内肋管可以显著的促进高粘度流体强化传热。由于从层流向湍流转变的转折雷诺数较 低，可以在较低的流速下，使得高粘度流体达到换热系数较高的湍流区；对于高粘性流体，叉排列三维内肋管在层流区也具有明显的强化传热效果，强化传热的肋形结构优化方向是：增加相对肋宽，增加轴向间距并选取适当的肋高。

自然对流传热是由于流体内部存在温度差导致质量力分布不均匀而引起的。它是一种较为普遍的传热方式。自然对流传热可分为大容积自然对流传热及有限空间的自然对流传热。大容积自然对流传热是边界层发展不受空间限制或干扰的自然对流传热。自然对流的传热膜系数与流体的物理性质、传热面的大小、形状及位置等有关，情况比较复杂，要从理论上推导出它的数学关联式，难度很大。工程上一般都是采用因次分析法，通过实验来测定出一些典型情况下的自然对流传热膜系数的经验公式，供生产设计之用。

过程描述：静止的流体一旦与不同温度的固体表面相接触，紧邻表面的薄层（即热边界层）流体受表面温度的影响，其温度和密度都将改变。在重力场中，如果密度梯度与重力的方向相垂直，则立即引起流体的自然对流。浮升力（或沉降力）导致热边界层内流体上升（或下降）和层外流体下降（或上升）的自然对流。因此，固体表面与流体间的温度差是流体产生自然对流传热的根本原因。流体沿壁面作自然对流传热时，靠近壁面处形成流动边界层。紧邻竖壁的边界层内流体的流动，也有层流和湍流之分。作用在边界层中流体质点上的力，主要是浮升力和粘性力，惯性力相对很小，甚至可以忽略。在高温竖壁底处的起始段，近壁流体温升不大，浮升效应弱，由于粘性力的关系，流动呈层流状态。达一定距离后，近壁流体的温度已升高到使浮升力的影响超过粘性力。此时，流动稍受外界干扰，即逐渐过渡到湍流状态。

基本假设：当流体沿高温竖壁作自然对流传热、边界层内流体作层流流动时，可作如下几点合理的简化假设：热边界层内流体呈层流流动，通过膜层的热量仅以导热形式传递，膜内温度分布为线性；热边界层内流体呈稳定流动状态，即流体的加速度可以被忽略 ；竖壁面维持均匀的温度 T _W 、边界层外流体的温度为 T_f 、边界层内流体的物性为常量，定性温度为膜温即 T_W 和 T_f 的算术平均值。

文献 分析了大容积自然对流层流流动和传热过程的机理，经过合理的简化假设，对边界层内流体的稳定流动和传热过程进行流动方程、传热速率方程、质量衡算方程和热量衡算方程描述，建立了相关的数学模型，从理论上推导出了该状况下的传热系数的数学关联式，经实验数据检验，理论值和实验值能较好地吻合,表明该模型具有一定的代表性和理论参考价值。

在能源、动力、化工、轻工、制冷等很多工业领域的换热设备中，经常采用波纹板表面以增加设备的强度及增强其传热传质性能。在波纹板通道内的流动传热中，按照设计目的的不同，流体介质的流动方向与壁面波纹的变化方向既有垂直也有平行。对这两种类型的流动和传热已经有很多数值计算和实验研究。然而，在已有的研究中，无论介质的流动方向是平行还是垂直于波纹方向，波纹壁面的几何参数都是一样的。在两块波纹板形成的二维流道内，当上下波纹板的波纹的振幅、频率不相同时，流动和传热特性会有什么样的表现，这方面的研究还鲜有报道。通道截面在流动方向保持恒定不变，而其几何形状为圆形、矩形、三角形以及其他一些简单情况下的充分发展层流流动与传热可以采用传统经典理论进流体通道截面变为其他复杂一点的形状时，经典方法往往难以奏效，因而长期以来采用计算机数值计算来解决复杂形状边界通道内的流动与传热就成为学术界与工程界的主流。然而，采用摄动法或变分法，仍然可以得到某些复杂形状边界通道内的流动与传热的近似解析解，只是长期以来没有受到重视而已。开展这方面的研究无论是对经典理论的深化完善还是对工程实践的应用参考都有重要的探索和借鉴意义。文献 选择纵向波纹通道内的定型层流传热为研究对象，以壁面波纹的波幅与通道平均高度的比值为摄动参数建立简化分析模型，对壁面不同波纹参数对传热特性的影响进行研究，发现：两板上的传热性能随波纹的波数亦即其密度的增大而降低，两板传热性能的差异随两板波纹差异的增大而增大。当两板波纹的波幅不等时，波幅较大板上的传热强度较大，波幅较小板上的传热强度较小．在波数和两板相对波幅一定的情况下，板上的传热性能随波纹波幅的增大，而出现增大和减小的变化，最大传热强度随波纹参数不同而出现在不同的波幅处，两板波纹差别大时，此峰值出现在波幅较小的地方，差别小时，最大传热峰值出现在波幅较大处。

文献 则应用计算流体力学软件FLUENT对波纹管在层流情况下的传热与流动问题进行了三维数值模拟，所模拟的波纹管的母线由多段凹凸圆弧组成(半径分别为R1和R2),其公称直径为20 mm，长度为2m，模拟了几何参数R1、R2对其传热与流动性能的影响，结果表明:与光管相比，层流情况下波纹管能显著强化传热，在雷诺数(Re)相等情况下，波纹管的R1越大、R2越小时的强化传热效果越好；在几何参数相同情况下，Re越大，强化传热效果越好，在所研究的范围内，Nu最大增加了199.5%，同时，波纹管还具有良好的流动性能，大部分Re的范围内流动阻力系数小于光管的情况，并且随着Re的增大而逐渐接近于光管的摩擦系数。2100433B

控制壁面传热效率是许多工业设备和工程实践的一项关键技术，而国内外学术界对壁面两侧耦合热流动等重要工程问题的研究依然薄弱。本项基金利用尺度分析，直接数值模拟以及实验测量等方法开展了壁面一侧和两侧耦合流动的研究。在该项基金的实施过程中，已在控制参数对热边界层对流以及传热影响研究上取得若干实质进展。研究结果表明两侧耦合热边界层流动可从定常向非定常演化，且该演化过程与瑞利数和普朗特数等控制参数有关，得到了主要的流动和传热的定量依赖关系式。此外，也获得了复杂几何形状壁面的一侧热对流的流动和传热的定量刻画。以上的研究成果可补充现有流体力学知识的缺失，也为进一步的工程设计提供基础性设计思路。研究成果的一部分已分别在国内外重要的学术会议上进行了交流，并已发表多篇高水平期刊研究论文（10篇SCI和4篇EI期刊论文，见研究成果）。 现有的研究进展表明该项基金的研究目标和任务已顺利完成。

本项研究将利用分析、数值以及实验测量等方法研究耦合热边界层从定常层流向非定常周期性流动的演化以及相应的传热。主要研究内容为：基于完成不同控制参数下的实验和数值模拟，分析和认识瞬态耦合热边界层内流，外流及混合流的基本流动结构；理解耦合热边界层不稳定流动形成机制以及垂直壁两侧不稳定流动的相互作用；研究耦合热边界层从定常层流到非定常周期性流动演化对控制参数的依赖，以期获得临界瑞利数与其它控制参数的定量关系；研究耦合热边界层内流，外流及混合流的传热对流动控制参数的依赖关系。本项研究获得的成果可以补充和扩展流动耦合效应方面的流体力学知识和概念，并可进一步应用到实际工业仪器设备的设计中，为其提供设计思路。