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1、场协同原理 （Field Synergy Principle） 班级： 04040203班 学号： 2010040402093 姓名：李根 学院：航空航天工程学部 目录 一内容 1 二来源 1 三发展 3 四数值验证 3 五适用范围 5 六实际应用 5 七前景未来 6 八. 参考文献 .7 - 1 - 场协同原理 （ Field Synergy Principle） 一. 内容 理论研究表明 , 流体与壁面之间的换热率与速度场和温度梯度场( 热流场 ) 的协同程度有着密切关系。当 换热系统中的速度场和温度梯度场达到充分协同时,换热就达到最优, 流体流动所需功耗与其换热率的投入 产出比就会达到最
2、佳。 根据速度场和温度梯度场的协同程度, 表征对流换热强度的准则数Nusselt数存在着 上限和下限 , 分别是 Nu=Re ? Pr 和 Nu=0,一般换热结构的换热率均处在此上、下限之间. 该理论被称为场协 同理论 , 该原理认为， 在速度场、 温度梯度分布一定的条件下，二者之间的夹角(场协同角 ) 对对流传热强度 有重要影响，夹角越小，传热强度愈高，它的建立无疑对强化传热技术的发展有重要促进作用。 二. 来源 1998 年清华大学过增元院士及其合作者对边界层型的流动进行了能量方程的分析, 通过将该方程在热 边界层内的积分 , 证明了减小速度矢量与温度梯度之间的夹角是强化对流换热的有效措施
3、，这一思想在文 献中现称为场协同原理(field synergy principle，或者 field coordination principle) 。 对流换热的物理机制 1对流换热从本质上来说是具有内热源的导热，流体的运动起着当量热源的作用。 2对流换热的强度取决于当量热源的强度，它不仅取决于流体与固壁的温差、流动速度和流体的热物 理性质和输运性质，而且还取决于流体速度矢量与热流矢量的夹角。 3流体引起的当量热源可以为正，也可为负。 所以流体流动可强化换热也可减弱换热（流体对固壁加 热时，热源使换热强化， 热汇使换热减弱， 当流体冷却固壁时，热汇能使换热强化，而热源则使换热减弱） 。 总
4、之，对流换热并不一定高于纯导热的换热强度。严格的讲，对流换热并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。而如果没有导热， 对流换热的模式就无法存在。 一般情况下，对流换热的能量方程可以写为： p TTTTTT cuvwq xyzxxyyzz ? （1） 对流换热从本质上来说是具有内热源的导热，流体的运动起着当量热源的作用。对流换热的强度取决 于当量热源的强度，它不仅取决于流体与固体壁面的温差、流速和流体性质，还取决于流体流速矢量和热 流矢量的夹角。流动引起的当量热源可正可负。所以，严格而言，对流换热不是基本传热方式，他只不过 是流体运
5、动情况下的导热。 层流边界层的能量守恒方程： 导热的能量守恒方程： )()( y T yy T v x T uCp )(),( y T y yxq )x(q y T dy) y T v x T u(Cp ww 0 x ,t )x(q y T dy)y,x(q ww 0 x , t - 2 - 对流换热三维的能量方程可写为： 等式的右边仍然是通常关注的壁面热流，等式的左边则是各种源项在热边界层中的总和。它们分 别是真实源项， 对流源项 （流动引起的当量热源）和导热源项 （流体中平行壁面方向导热引起的当量热源）。 用此源强化的概念就能很好的认识为什么具有放热化学反应的流体加热冷壁时，对流换热能强化
6、；为什么 空气冷却器中喷水蒸发能强化换热，以及在管流中流体的轴向导热会引起Nu 的降低。 等式左边的对流项改写为矢量的形式： 引入无因次变量并代入： 整理后可得无因次关系式： （积分值的物理意义在于在x 处热边界层厚度截面内的无因次热源强度的和。积分的值一般与流动、 物性因素等有关，也就是说它是和的函数） 要使传热强化有三方面的途径： （1）提高 Re数，例如增加流速、缩小通道直径等，就能使换热增强； （2）提高 Pr 数，改变流动介质的物理性质，例如增加流体的比容或黏性，将导致数的增大 ; （3）增加无因次积分值 在速度和温度梯度一定（或者Re，Pr 数不变）的条件下，减小它们之间的夹角（1
7、80） ; 流体速度剖面和温度剖面尽可能均匀（在最大流速可温差一定条件下）； 尽可能使三个标量场中的大值与大值搭配（使三个标量场中的大值尽可能同时出现在整个场中的某 些区域，此时三个标量指速度绝对值，温度绝对值，夹角余弦场）。 六. 实际应用 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系列的传热强化与控制的新方法和新技术。 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 ut = 3. 66 ;而对于等热流边界条件,
8、努塞尔数也是 常数 ,N uq = 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。 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 , 从而减小 了以总面积计算的热阻。 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。 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, - 6 - 使它们之间更加协同。常见强化管( 波纹管
9、、翘片管等) 的强化传热机理均可通过场协同来解释 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 = 800 7 000 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。 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。 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
10、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。 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是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。 对开缝翘片传热性能，在相同泵功下, 开缝翘片的换热特
11、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。 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。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，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。 温差场均匀性原则的应用，提供了一种提高叉流换热器热性能的新方法通过改善温差场的均匀性 来强化叉流换热器的效能具体办法如下: （1）传热面积的合理分配（2）改变流程间管道的联接。 3. 多场协同与强化传热 强化
12、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 J i 和不可逆热力学力 Xk
13、 的线性唯象关系 式是 24 :J i =Lik X k ( i , k = 1 ,2，., n) (4) 式中 ,Lik为唯象系数。 从式 (4) 可知 , 体系中的J i 是Xk 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
14、传热的目的。 多场耦合在控制强化传热时起到重要的作用。 七. 前景未来 速度场和温度梯度场协同的基本思想揭示了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 - 7 - 程中具有共性和本质性的规律； 过程或运动是由场力推动的, 而能量是物质运动形式的度量, 因而任何能量的传输与转换过程, 都是 在一定空间和时间条件下体系内外各种场的相互作用下进行的。场协同是一种普遍现象, 不同场之间可控 制某些参量使其协同, 以达到按目的过程进行或能量有效传输和转换。 目前 , 实验研究所发现的场协同现象
15、已经越来越多。例如, 在电场作用下 , 沸腾传热系数可以增大一 个数量级；微波可以使有效成分的萃取时间缩短为几十分之一, 等等 , 这都是由于外场与内场协同作用的 结果。深入研究这些空间条件和场相互作用的内在机制是研究能量的转换与传递过程重要途径。 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
16、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。 八. 参考文献 1. 云和明，场协同理论与强化换热技术，山东大学空间热科学中心； 2. 熊少武，罗小平，高贵良，强化传热的场协同理论研究进展，2007.01 第 36 卷 第一期，第49-54 页，文章编号： 1000-7466 （2007）01-0050-05 ； 3. 周俊杰，陶文铨，王定标，场协同原理评价指标的定性分析和定量探讨，2006.06 第 27 卷 第二期， 第 45-47 页，文章编号： 1671-6833 （2006）02-0045-03 ；