管內(nèi)對(duì)流換熱影響因素與強(qiáng)化分析

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1、管內(nèi)對(duì)流換熱影響因素及其強(qiáng)化分析摘要:從影響管內(nèi)對(duì)流換熱的因素出發(fā)，對(duì)近年來國內(nèi)外學(xué)者的研究成果進(jìn)行了綜合分析，包括管內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)、表面形狀、物性、脈動(dòng)等對(duì)管內(nèi)對(duì)流換熱的影響。介紹了利用縮放管、金屬泡沫管、納米流體、高壓電場(chǎng)等強(qiáng)化換熱的方法。對(duì)中高溫太陽能熱利用系統(tǒng)中大溫差管內(nèi)對(duì)流換熱的應(yīng)用及其強(qiáng)化方法進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：管內(nèi)；對(duì)流；換熱；強(qiáng)化換熱InfluencingFactorsandEnhancingMethodsofConvectiveHeatTransferinTubesLeiChangkuiSafetyEngineeringClass10021003070210Abstract:

2、SomefactorsweresummarizedsystematicallyaccordingtotheresearchinChinaandabroadinrecentyears,includingconvectionflowstate,phase-transformation,geometricfactors,fluidpulse,fluidphysicalpropertiesandviscosities.Atthesametime,somemethodsofenhancingheattransferintubeswerealsosummarized,suchasadditives,ele

3、ctro-hydro-dynamical,metalfoamfilledpipesetc.Finally,thecharacteristicsandthemethodofheattransferenhancementwereanalyzedinhigh-mediumtemperaturesolarpowersystems.KeyWords:tube,convection,heattransfer,heattransferenhancing0引言管內(nèi)對(duì)流換熱過程廣泛存在于化工、動(dòng)力、制冷及太陽能熱利用等工程技術(shù)領(lǐng)域的各種熱交換設(shè)備中，是一個(gè)傳熱溫差和流體流動(dòng)阻力并存且相互影響的復(fù)雜傳熱過程。近年

4、來，隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，熱交換設(shè)備迫切需要符合節(jié)約能源、節(jié)省材料和降低成本的要求，這對(duì)強(qiáng)化設(shè)備的換熱提出了更高的要求。眾所周知，熱量傳遞方式有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流以及熱輻射三種，因此強(qiáng)化傳熱的方法也勢(shì)必從這三個(gè)方面來進(jìn)行。作為熱交換器中管內(nèi)熱流體的主要傳熱方式，管內(nèi)對(duì)流換熱的強(qiáng)化在熱交換器強(qiáng)化換熱研究中占有極其重要的地位。本文從理論及已有實(shí)驗(yàn)的角度對(duì)管內(nèi)對(duì)流換熱的影響因素及其強(qiáng)化換熱的方法進(jìn)行分析，以期對(duì)太陽能中高溫?zé)崂弥写鬁夭罟軆?nèi)對(duì)流強(qiáng)化換熱的研究提供指導(dǎo)和借鑒。1管內(nèi)對(duì)流換熱的理論分析1．1邊界層理論邊界層是由于流體的黏滯性，在緊靠其邊界壁面附近，流速較勢(shì)流流速急劇減小，形成的流速梯度很大的薄

5、層流體，又稱為流動(dòng)邊界層[1]。1940年德國普朗特提出著名的邊界層概念后，經(jīng)過發(fā)展，流體力學(xué)的研究已經(jīng)證明，黏性流體存在著兩種不同的流態(tài):層流(Re＜2000)及湍流(Re>10000)。層流是流體微團(tuán)沿著主流方向作有規(guī)則的分層流動(dòng)，而湍流時(shí)流體各部分之間發(fā)生劇烈的混合，因而在其他條件相同時(shí)湍流傳熱的強(qiáng)度自然要較層流強(qiáng)烈。湍流時(shí)的傳熱除貼壁的滯流內(nèi)層外，湍流核心的速度分布和溫度分布較為平坦，主要熱阻存在于滯流內(nèi)層中。由于滯流內(nèi)層極薄，溫度梯度甚大，所以湍流傳熱強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過層流。對(duì)于強(qiáng)制對(duì)流，若忽略自然對(duì)流的影響，其一般準(zhǔn)則數(shù)關(guān)系式為Nu=f(Re、Pr)在一定范圍內(nèi)，這個(gè)關(guān)系式可整理成如下形

6、式:式中,Nu是努塞爾數(shù)；Re是雷諾數(shù)；Pr是普朗特?cái)?shù)；系數(shù)c，指數(shù)m、n依影響因素不同由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。1．2場(chǎng)協(xié)同理論針對(duì)靜止坐標(biāo)系下的流動(dòng)換熱問題，有學(xué)者從二維層流邊界層能量方程出發(fā)，重新審視了熱量輸運(yùn)的物理機(jī)制，把對(duì)流換熱比擬成有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱過程，并指出熱源強(qiáng)度不僅決定于流體的速度和物性，而且取決于流速和熱流矢量的協(xié)同:流動(dòng)的存在可能強(qiáng)化換熱，也可能并無實(shí)質(zhì)貢獻(xiàn)甚至減弱換熱，并以二維平板層流邊界層問題為例提出了場(chǎng)協(xié)同理論[2]，得到了Nu數(shù)與溫度梯度之間的關(guān)系，定義了表征速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)協(xié)同程度的場(chǎng)協(xié)同數(shù)Fc，其中Fc的表達(dá)式為場(chǎng)協(xié)同理論提出以來，對(duì)于其在靜止坐標(biāo)系下的應(yīng)用研究得到了廣泛的關(guān)注

7、和發(fā)展:從拋物型方程拓展到橢圓型方程；通過磁場(chǎng)改變方腔自然對(duì)流速度場(chǎng)，強(qiáng)化換熱，將傳遞勢(shì)容耗散極值原理應(yīng)用于對(duì)流換熱，獲得了黏性耗散一定的條件下的最優(yōu)速度場(chǎng)；把場(chǎng)協(xié)同理論的應(yīng)用從層流拓展到湍流，提出采用多縱向渦強(qiáng)化管內(nèi)對(duì)流換熱的場(chǎng)協(xié)同強(qiáng)化方法；研究了脈沖流動(dòng)和壁面振動(dòng)問題中的傳熱問題，提出為了改善速度和溫度梯度場(chǎng)的協(xié)同，應(yīng)使脈動(dòng)能改變垂直于換熱壁面方向的速度分量。1．3有效能分析有效能指的是動(dòng)力設(shè)