热边界层性质

指研究对流换热问题时，所设想的流体的温度变化全部集中于其中的一流体薄层。是边界层理论中的基本概念之一。如温度为t_∞的流体纵向掠过壁面温度为t_w(t_∞)的无限宽平板时，流体与平板之间将进行对流换热; 此时除非流体的导热系数很大(如液态金属)，否则流体的温度也和速度一样，只在贴近板面的一薄层中才有显著的变化，因而形成了 “温度边界层”。实验表明，其厚度δ_t总是沿流动方向随着板长x值的增加而逐渐增大(见附图)。若以δ表示速度边界层的厚度，则δ_t与δ之间的大小关系取决于流体的物理性质，即取决于普朗特准则Pr的大小。当Pr=1时， δ_t=δ;Pr<1时，δ_t>δ; Pr>1时， δ_t<δ。

Pr表示普朗特准则，

上式确定了常物性流体外掠常壁温平板层流换热时热边界层的厚度。

对于层流热边界层，管内的热损失主要是导热。对于紊流热边界层，管内的热损失主要是对流。热边界层管道的整个热损失是比较小的，若保温层绝热良好，热量损失就可以被保温层隔绝。此外，采用管沟敷设形式既能对管道进行检修，又能起到减小热损失的效果。

利用温度边界层的概念常可使对流换热温度场和对流换热系数的分析求解大为简化。

流动边界层和热边界层的状况决定了边界层内的温度分布和热量传递过程。

对于层流，温度呈多项式曲线弄分布，对于紊流则呈幂函数型分布（除液态金属外），紊流区边界层贴壁处的层流底层内温度梯度将明显大于层流区。

在概述图中，标绘了局部表面传热系数h_x沿平板的变化情况，从平板前缘开始，随着层流边界层增厚，h_x将较快的降低。当层流向紊流转变后，因紊流传递作用增大，h_x将明显高于层流转变前，随后，由于紊流边界层厚度增加，h_x再呈缓慢下降之势。将局部表面传热系数沿全板长积分，可得全板平均表面传热系数h。 2100433B

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。

实验观察发现，在对流换热条件下，主流与壁面之间存在温度差。在壁面附近的一个薄层内，流体温度在壁面的法线方向上发生剧烈的变化；而在此薄层之外，流体的温度梯度几乎等于零。因此，可以将边界层概念推广到温度场中。固体表面附近流体温度发生剧烈变化的这一薄层称为温度边界层（热边界层），其厚度记为δ。对于外掠平板的对流换热，类似于速度边界层得定义，传热学中一般也将达到来流过余温度99%的流层处，定义为δ的外边界。除液态金属及高粘性的流体外，热边界层的厚度δ在数量级上是个与运动边界层厚度δ相当的小量。于是对流换热问题的温度场也可以分为两个区域：热边界区和主流区。在主流区，流体中温度变化率可视为零，这样就可把研究的热量传递的区域集中到热边界层之内。

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。