强化传热的场协同理论研究进展
第３６卷第１期
２０。７年１月
石油化工设备ＰＥＴＲ（）－ＣＨＥＭＩＣＡＩ。ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ
Ｖ０１．３６Ｎｏ．１２００７
Ｊａｎ．
ｌｒ。＋”＋一”＋”＋”＋”、
ｉ技术综述！
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文章编号：１０００一７４６６（２００７）０１一００５０—０５
强化传热的场协同理论研究进展
熊少武，罗小平，高贵良
（华南理工大学工业装备与控制学院，广东广州
５１０６４０）
摘要：概述了场协同原理的研究进展，从理论角度分析了速度场与温度梯度场协同程度的改变会影响强化传热的效果，阐述了验证场协同原理的两种方法和场协同原理在实际中的应用。由唯象理论导出了多场协同与强化换热的关系，概述了多场协同强化换热的研究进展。关键词：强化传热；场协同；唯象理论；研究中图分类号：ＴＫ
１２４
文献标志码：Ａ
ＲｅＶｉｅｗ
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ｒｅｓｅａｒｃｈ
从２（）世纪７０年代开始出现石油危机，因此，世界各国加强了对传热过程强化的机理研究，并发展了以提高过程效率和降低能耗为主的第二代传热技术。但迄今为止，关于传热过程的强化研究基本上还停留在以实验为主的阶段上，以探索性实验为手段，在已有的成就上做一些积累性改进，即以实验数据为基础对传热过程的相关系数进行描述，并将相关系数关联成若干个量纲为１的函数，再对它进行分析和过程优化ｎｊ。这样仅能得出一些模糊的、定性的推理和结论．这种推理和结论的外延和推广具有很大局限性。
过增元教授在研究对流换热时，从传热过程的能量方
程中发现速度矢量和热流矢量之间的配合关系对传热效果有重要的影响，速度矢量和热流矢量之间恰当地配合可以极大地强化传热口］。过增元教授由此提出了速度场和温度梯度场协同的基本思想，这一思想揭示传热过程的场协同规律，它不同于传统以实验为主的研究，场协同从科学理论的角度去研究传热过程，发展适用于描述传热过程的具有普遍性规律的理论，揭示传递过程中具有共性和本质性的规律。近年来，国内外学者在场协同方面作了不懈的努力，已取
收稿日期：２００６一０７—３０
基金项目：国家自然科学基金项目（２０００６００４）；广东省自然科学基金项目（ｏ００４１２）
作者简介：熊少武（１９８０一），男，江西新干人，在读硕士研究生，从事电场作用下强化传热理论研究。
万方数据
第１期熊少武，等：强化传热的场协同理论研究进展
得了很大的进展。文中就此进行了综述和分析，并从唯象理论角度推导了多场协同与强化换热的关系。
１场协同原理
文献［２］提出了场协同原理，对其简述如下。以二维层流边界层为例，其能量方程可表示为：
雕（“丽十ｕ丽）一丽（＾丽）雕（“誓＋ｕ舅）一未（Ａ琴）
㈩…
对上述方程积分并无量纲化得：
№一＆Ｐｒ』：ｃ西・ＶＩ）ｄ＿
㈤
式中，Ｎ“、ＲＰ和Ｐｒ分别为努塞尔数、雷诺数和普朗
特数，矢量点积ｕ・ｖＴ可表示为：
ｕ・ｖ
Ｔ＝ｆｕ・Ｉ１ｖＴｆｃｏｇ口
（３）
式中，口为热流矢量和速度矢量的夹角。
从式（２）可以看出，改变流速、温差、流体的物性
或者改变＆和Ｐｒ均可以控制换热强度。从式（３）中
可以看出，口在控制换热强度时起着很重要的作用。
当豚９０。时，Ｎ“随卢的减小而增大，当卢一０。时，可以
达到最大值。在湍流换热和三维换热中，场协同理论同样适用，为此，可将该理论进行推广。
２对流传热中场协同原理的证明
从场协同原理出发，可以通过改变速度场和温度梯度场的协同程度来测定其换热强度的变化。而从处理的方法上看，主要有实验验证和数值计算验证两种。
２．１场协同原理的数值验证
２．１．１
层流换热中场协同的数值验证
文献［３］以二维顺排翅片通道与平直平板通道为研究对象进行了数值分析，其几何模型见图１和图２。其中顺排翅片通道的几何尺寸为：翅片长
Ｌ１—１０
ｍｍ，厚Ｈｌ＝４ｍｍ，横向间距Ｌ；一１０ｍｍ，纵
向间距Ｈ２＝６ｍｍ；平直平板通道的几何尺寸为；板长Ｌ＝１０ｍｍ，板间距Ｈ＝６ｍｍ。
文献［３］的作者采用了ＳＩＭＰＬＥＲ算法和应用交错网格进行数值计算，并做了如下假设：①流动与换
热充分发展。②恒壁温加热。③速度场和温度场进出口边界条件为周期性条件。
两种通道计算的结果见图３和图４，其中图４纵
坐标ｈ￡表示ｒ～（【，．ｖ”ｄｙ）。
万
方数据图１顺排通道示意图
鲁ｌ
￡
图２平直平板通道示意图
图３两种通道Ｎ＊盈比较图
§
×
童
图４两种通道ｊ耐与ＲＰ比较图
从各图中可以看出，随风的增加，平行平板通道
湍流换热中场协同的数值验证
文献［５］以内环肋管道中的湍流换热为研究对象的Ｎ“保持不变，而顺排翅片通道的Ｎ“有所增加。平行平板通道和顺排翅通道的积分值ｈｆ均在增加，并且在低ＲＰ时顺排翅片通道的积分值ｈ￡增加得比较快。因此可以得出，在相同尺Ｐ下，顺排翅片通道的Ｎ甜比平行平板通道的Ｎ“大，即换热增强，其ｈｆ也大，与场协同理论相符。此外，文献［３］还将二维又排板换热通道、波纹形通道、二维渐扩渐缩通道分别与平直平板通道换热进行计算和比较，得到了同样的结
论。文献［４］用数值计算方法对层流协同方程进行了
验证。
２．１．２
进行了数值分析。内环肋管道的几何模型见图５，图中阴影部分为计算区域，Ｄ为管道的直径，Ｐ为肋距，
石油化工设备２００７年第３６卷
图５环状内肋管道的几何模型
Ｈ为肋高，Ｗ为肋宽。内环肋管道几何形状与尺寸对流动的影响主要由肋高比和肋距比等几何参数控制。本计算中，管道的肋高比Ｈ／Ｄ分别取为ｏ．１和Ｏ．２，肋距比Ｐ／Ｈ变化分别为１５．０、１０．ｏ、８．０、７．５、５．０、４．ｏ。计算时进行如下假设：①流动为二维、稳态、湍流。②流动已经充分发展。③固体区域与流体区域的物性参数均为常数。④肋高与肋宽相等，即ｗ—Ｈ。
将内环肋管道的几何特征记为Ｈ／Ｄ和Ｐ／Ｈ，计算中选取了０４／１０和０６２５／１８两组环状内肋管道比值数值，即０４／１０表示Ｈ／Ｄ—ｏ．０４，Ｐ／Ｈ一１０；０６２５／１８表示Ｈ／Ｄ—ｏ．０６２５，Ｐ／Ｈ一１８。按ＢｉｔｔｒＢＯｅｌｔｅｒ公式计算光管的努塞尔数随雷诺数的变化与两组环状内肋管道Ｎ“与Ｒｅ的关系见图６，两组环状内肋管道的平均夹角随ＲＰ变化的数值计算结果见图７，两组环状内肋管道的Ｍ随Ｒｅ变化的数值计算结果见
图８，其中Ｍ表示速度的模与温度梯度模的乘积。
１０１０００
１００００
１０００００
忍
图６
Ｎ“与ＲＰ的关系
图７平均夹角随ＲＰ的变化
从图６可看出，内肋管的换热能力明显优于光管，图７和图８说明场协同原理对湍流同样适用。文献［６，７］均采用数值计算方法对湍流换热中的场协同
万
方数据原理进行了研究，并验证了场协同理论正确性。
图８
Ｍ随Ｒ８的变化
２．２
场协同原理的实验验证
文献［８］在多孔介质换热问题中进行了相关分析
和实验研究，其分析模型是一可穿透平板放置在半无穷大多孔介质中，无穷远处温度为￡ｉ的流体通过多孔体向上（垂直于平板）流动，平板处具有恒热流加入以
加热流体。实验结果表明，在＆很小时（即流速很
小），Ｎ“与Ｒｅ有线性关系。当速度很大时，实验值明显低于理论值，这是由于热板附近流体转向流出时，热流与速度的夹角已不为ｏ，当速度增加时，这部分的作用越来越大，导致换热增强不理想。
文献［９］对交叉缩放椭圆管进行了实验研究。交叉缩放椭圆管管内截面交叉变化诱导产生强烈的二次流和纵向涡流，改善了速度场与温度场之间的协同关系。实验结果表明，交叉缩放椭圆管管内的流动在Ｒｅ≥５００即表现为湍流，换热强化效果显著。
文献［１０］对两排Ｘ型双向开缝翅片管换热器空气侧的传热及阻力性能进行了实验研究，在实验的ＲＰ范围内得出了传热和阻力的性能关联式及特性曲线。实验结果表明，开缝翅片的传热性能远高于平直
翅片，与中一向开缝翅片相比，Ｘ型双向开缝翅片的性能更好。开缝翅片有效强化传热的根本原因是翅片开缝后改善了速度和温度梯度的协同性。
数值验证与实验验证是验证场协同原理的两种主要方法，现在的学者更趋向使用方便、简单、经济的数值法。实际上将两种方法结合起来使用，其结论更可靠。文献［１１］就采用了两者结合的方法。
３场协同原理的应用
传热强化场协同的应用可分为两个方面，其一是对现有对流换热现象和传热强化技术从新的角度去分析和讨论，从而对它们有更深入和更本质的认识和理解。其二更为重要的是，基于场协同原理可以发展
第１期
熊少武，等：强化传热的场协同理论研究进展
系列的传热强化与控制的新方法和新技术。
３．１
场协同原理对强化换热的应用
等壁温边界圆管内层流换热的努塞尔数为常数，
Ｎ甜。一３．６６；而对于等热流边界条件，努塞尔数也是常数，Ｎ‰一４．３６，明显高于等壁温边界条件下圆管内层流换热的努塞尔数。文献［１２］应用场协同原理，采用数值模拟方法找到了导致这两种条件下努塞尔数不同的原因，即在等壁面附近等热流边界条件下，其速度与温度梯度的夹角小于等壁温情况。
在强化传热技术中，翘片得到广泛的应用。一般认为翘片在强化传热中的作用主要是增加了热阻大的一侧流体的面积口３Ｉ，从而减小了以总面积计算的热阻。文献［１４］应用场协同原理，在对室内散热器传热与流动特性的数值分析中发现，翘片强化传热还有另外一个重要的原因，即改善速度与温度梯度的协同程度，即减小协同角。
文献［１５］提出了特殊的肋或插入物也可强化传热，根据场协同原理很容易分析出其原因，改变速度和温度梯度的分布，使它们之间更加协同。常见强化管（波纹管、翘片管等）的强化传热机理均可通过场协同来解释口州。文献［１６］通过在流道内安装三角形涡发生器可以产生纵向涡旋，以场协同理论为指导讨论了在较低壁温（小于１２０℃）时，Ｒｅ一８００～７０００内，空气介质在强迫对流的情况下，水平加热片上安装三角形涡发生器的强化换热机制。文献［１７］用数值模拟方法将湍流流动的传热分为传热层流底层和湍流层，来考察传热层流底层中温度梯度矢量与速度夹角对湍流流动换热的影响，用场协同理论分析了湍流条件下粗糙肋面的传热强化问题。
３．２
利用场协同原理指导强化传热技术的开发逆流、叉流和顺流是换热器３种典型的传热方
式，其换热效能优劣次序已很清楚，而且可以有分析表达式。但是，在工程应用中，由于工艺等因素有时需要应用复合型场协同度来分析，就可以定量地分析比较各种类型换热器的性能。文献［１８］给出了在相同传热单元数条件下顺流、逆流、叉流等９种常见换热器流体温度场的协同数（均匀性因子）的数值和换热效能的关系。结果表明，冷热流体温度场的协同越好，则其换热效能越大。
换热器的场协同原理是通过改变冷热流体的流动方式来提高换热性能，即冷热流体的温度越均匀时，冷热流体温度场的协同越好，则换热的效能就会
万
方数据越高，这为换热器结构设计提供了理论依据。根据这一原理，崔国民等提出了流场组织协变温差场的多股流换热器性能优化方法［１…。
文献［２０］对开缝翘片传热性能进行了研究。它发现在相同泵功下，开缝翘片的换热特性是４种翘片（平直、三角波纹、正弦波纹以及开缝）中最好的，其传热量比平直翘片提高了４０％左右。文献［２１］的实验表明，同样的开缝数目，把缝设置在流动方向的下游要比放在上游好。屈治国等采用三维数值模拟方法研究了翘片开缝位置的影响，从场协同原理的角度分析，发现使速度和温度梯度协同是强化对流传热的根本机制陴１。根据这一思想，文献［２３］提出开缝要前疏后密，这也说明了场协同原理在指导新型强化换热表面的开发中有着重要的作用。
４多场协同与强化传热
强化传递过程有两个途径，即增大过程推动力或减少过程阻力。增大过程推动力要增加能耗，而且还受到生产工艺、设备条件、环境条件以及经济性等方面的限制。减小过程阻力也有一定的限度。虽然速度场与温度梯度场的协同可以强化传热，但其强化的力度有限。如果在传热过程中施加内、外场力（磁场、超声波场、离心力等）来强化传热，其传热效果将得到更为显著的改善。下面从唯象理论的角度来分析多场协同的强化传热机理。
根据线性非平衡热力学理论，一个存在多种非平衡过程的体系，如果体系中所有不可逆过程（非化学反应过程）接近于平衡态，过程推动力足够小，则不可
逆热力学流，：和不可逆热力学力墨的线性唯象关
系式是‘２“：
，，一∑Ｌ＊Ｘ＾（ｉ，是一１，２…，卵）
（４）
式中，ｋ为唯象系数。
从式（４）可知，体系中的．厂，是墨产生流分量的
线性组合。一种传递过程并不仅是由系统中存在的与其对应的基本力场所引起的，也可以由其他力场作用产生。在传递过程中，当存在多种力场作用于一个传递目标时，这种多场对传递过程的作用是同时发生和影响的，存在着多场作用下传递过程的耦合问题。要促进某种传递过程不仅是加强或减弱相应的基本力场，同时还要改变与之相联系的力场才能更好地达到目的，即通过空间条件和各个场的协同作用控制传递过程而达到强化传热的目的。
・５４・
石油化工设备
２００７年第３６卷
多场耦合在控制强化传热时起到重要的作用。文献［２５］对沉浸于强极性有机液体工质乙酸乙酯中的平板表面上的自然对流和沸腾换热的外加电场强化进行了实验，得出了自然对流和沸腾换热的表面传热系数、强化效果与电场电压、热通量的关系。实验数据表明，外加电场对平板表面自然对流换热的强化效果好于对沸腾换热的强化效果。实验条件下，当施加外电场时，平板表面的自然对流换热的传热系数最大可达到无外电场时的６～７倍，沸腾换热的传热系数最大可达到无外电场时的４～５倍。此外，文献［２６，２７］研究了磁场作用下的传热效果，它们研究的结果都表明了加入磁场可以强化传热。
５
结语
场协同原理不仅能统一地认识现有对流换热和
传热强化现象的物理本质，而且它还能指导发展新的传热强化技术。但仅从改善基本力场协同程度的角度来强化换热的力度是有限的，如果在整个对流换热区域内施加力场并控制其方向，使各种场协同的更好，其传热效果将进一步得到提升。可在主流体中加入另种组分的物质并控制浓度梯度与速度的方向来强化对流换热．若加入的物质是某种电解质或磁介质同时通过施加外电场或外磁场，控制浓度梯度和压力梯度的方向可以起到强化传热的作用，以此可指导发展一些强化对流换热的新方法，开发新的强化换热设备。基于这种思想，本课题组正着手于电场强化换热的研究，其研究成果待发表。
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（许编）
强化传热的场协同理论研究进展
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
熊少武， 罗小平， 高贵良， XIONG Shao-wu， LUO Xiao-ping， GAO Gui-liang华南理工大学,工业装备与控制学院,广东,广州,510640石油化工设备
PETRO-CHEMICAL EQUIPMENT2007,36(1)3次
参考文献(27条)
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引证文献(3条)
1. 韩坤. 刘阿龙. 彭东辉. 孙定芳. 王经 烧结型多孔管管内流动沸腾传热数值模拟[期刊论文]-化工机械 2011(1)2. 吴艳阳. 杨文灏. 喻九阳. 林纬. 高九阳. 刘利军. 刘倩 螺旋槽管脉冲流传热数值及场协同分析[期刊论文]-石油化工设备 2011(5)
3. 周兰欣. 王智刚. 李卫华 空冷凝汽器U型翅片管换热特性研究[期刊论文]-汽轮机技术 2009(6)
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