基本介紹
- 中文名：層流傳熱
- 外文名：laminar flow heat transfer
- 分類：熱力學
- 領域：能源利用
- 基本釋義：流體作層狀流動時發生的傳熱
- 學科：物理化學
自然對流、層流,高粘流體強化,波紋管強化,
自然對流、層流
自然對流傳熱是由於流體內部存在溫度差導致質量力分布不均勻而引起的。它是一種較為普遍的傳熱方式。自然對流傳熱可分為大容積自然對流傳熱及有限空間的自然對流傳熱。大容積自然對流傳熱是邊界層發展不受空間限制或干擾的自然對流傳熱。自然對流的傳熱膜係數與流體的物理性質、傳熱面的大小、形狀及位置等有關，情況比較複雜，要從理論上推導出它的數學關聯式，難度很大。工程上一般都是採用因次分析法，通過實驗來測定出一些典型情況下的自然對流傳熱膜係數的經驗公式，供生產設計之用。
過程描述：靜止的流體一旦與不同溫度的固體表面相接觸，緊鄰表面的薄層（即熱邊界層）流體受表面溫度的影響，其溫度和密度都將改變。在重力場中，如果密度梯度與重力的方向相垂直，則立即引起流體的自然對流。浮升力（或沉降力）導致熱邊界層內流體上升（或下降）和層外流體下降（或上升）的自然對流。因此，固體表面與流體間的溫度差是流體產生自然對流傳熱的根本原因。流體沿壁面作自然對流傳熱時，靠近壁面處形成流動邊界層。緊鄰豎壁的邊界層內流體的流動，也有層流和湍流之分。作用在邊界層中流體質點上的力，主要是浮升力和粘性力，慣性力相對很小，甚至可以忽略。在高溫豎壁底處的起始段，近壁流體溫升不大，浮升效應弱，由於粘性力的關係，流動呈層流狀態。達一定距離後，近壁流體的溫度已升高到使浮升力的影響超過粘性力。此時，流動稍受外界干擾，即逐漸過渡到湍流狀態。
基本假設：當流體沿高溫豎壁作自然對流傳熱、邊界層內流體作層流流動時，可作如下幾點合理的簡化假設：熱邊界層內流體呈層流流動，通過膜層的熱量僅以導熱形式傳遞，膜內溫度分布為線性；熱邊界層內流體呈穩定流動狀態，即流體的加速度可以被忽略 ；豎壁面維持均勻的溫度 T W 、邊界層外流體的溫度為 Tf 、邊界層內流體的物性為常量，定性溫度為膜溫即 TW 和 Tf 的算術平均值。
文獻分析了大容積自然對流層流流動和傳熱過程的機理，經過合理的簡化假設，對邊界層內流體的穩定流動和傳熱過程進行流動方程、傳熱速率方程、質量衡算方程和熱量衡算方程描述，建立了相關的數學模型，從理論上推導出了該狀況下的傳熱係數的數學關聯式，經實驗數據檢驗，理論值和實驗值能較好地吻合,表明該模型具有一定的代表性和理論參考價值。
高粘流體強化
高黏層流流體的換熱在工業中十分普遍，例如石油煉製中重油的加熱或冷卻，化工、食品、製糖等工業中高黏度物料的加熱或冷卻等，這些物料的換熱通常在層流狀態下操作。上述流體在工業換熱器流動呈層流狀態。從理論上講，在層流條件下簡單地採用提高流速的方法是不能有效地提高努賽爾數的。在無限長充分發展的傳熱流道中，無論是恆壁溫或恆熱流條件，傳熱努賽爾數均趨向於一常數。因為分子導熱的傳熱速率極低，高黏度流體熱量傳遞最大的障礙在於流道中心區域流體的熱量很難完全依靠分子導熱的途徑傳遞到流道的近壁區域，這導致在流道主流區與近壁區的流體間會形成類似絕熱的兩層平行流體，僅靠提高流體的軸 向流速不能將主流區的熱量有效地傳遞至近壁區。
文獻從層流流體有效傳熱溫差的新視角出發,分析與探討了換熱器層流傳熱的強化理論。首先對層流流體有效傳熱溫差的現象、細節及其變化規律進行了分析,揭示了採用插入物強化層流傳熱的內在強化機理,探討了有效傳熱溫差緩變特性的合理利用方法,提出了改善層流有效傳熱溫差的尋優途徑；其次,分析研究了縮放管粗糙傳熱肋面與插入物相配合的協同傳熱強化機理,揭示了粗糙肋面協助改善層流有效傳熱溫差的作用與規律。得出如下結論：① 由於流體主流區與近壁區之間分子導熱速率太低，不能實現兩區間的遠距離熱量輸送，因此必須在流道中合理地安置插入物才能把主流區的熱量跨區對流置換到近壁區，其目的是提高表觀傳熱溫差的有效利用率 ；②因為插入物對流體的阻力大，傳熱強化的代價高，所以應該尋找前後置換之間的最佳距離，儘可能地減少流體輸送功耗 ，降低傳熱強化的代價，在無插入物的緩衝區間應充分利用有效傳熱溫差的緩變特性，提高傳熱速率，其目的是提高傳熱與流阻綜合性能評價因子；③採用縮放管加插入物的複合強化傳熱方法，將縮放管的近壁對流置換與插入物的有效傳熱溫差改善這兩個強化因素協同起來，對插入物下游區的傳熱可獲得良好的協同強化效果。
文獻則採用正交原理實驗設計方法，使用新鮮的潤滑油為工質，對高粘度流體在叉排列三維內肋管中的流動和傳熱特性進行試驗研究，發現：叉排列三維內肋管可以顯著的促進高粘度流體強化傳熱。由於從層流向湍流轉變的轉折雷諾數較 低，可以在較低的流速下，使得高粘度流體達到換熱係數較高的湍流區；對於高粘性流體，叉排列三維內肋管在層流區也具有明顯的強化傳熱效果，強化傳熱的肋形結構最佳化方向是：增加相對肋寬，增加軸向間距並選取適當的肋高。
波紋管強化
在能源、動力、化工、輕工、製冷等很多工業領域的換熱設備中，經常採用波紋板表面以增加設備的強度及增強其傳熱傳質性能。在波紋板通道內的流動傳熱中，按照設計目的的不同，流體介質的流動方向與壁面波紋的變化方向既有垂直也有平行。對這兩種類型的流動和傳熱已經有很多數值計算和實驗研究。然而，在已有的研究中，無論介質的流動方向是平行還是垂直於波紋方向，波紋壁面的幾何參數都是一樣的。在兩塊波紋板形成的二維流道內，當上下波紋板的波紋的振幅、頻率不相同時，流動和傳熱特性會有什麼樣的表現，這方面的研究還鮮有報導。通道截面在流動方向保持恆定不變，而其幾何形狀為圓形、矩形、三角形以及其他一些簡單情況下的充分發展層流流動與傳熱可以採用傳統經典理論進流體通道截面變為其他複雜一點的形狀時，經典方法往往難以奏效，因而長期以來採用計算機數值計算來解決複雜形狀邊界通道內的流動與傳熱就成為學術界與工程界的主流。然而，採用攝動法或變分法，仍然可以得到某些複雜形狀邊界通道內的流動與傳熱的近似解析解，只是長期以來沒有受到重視而已。開展這方面的研究無論是對經典理論的深化完善還是對工程實踐的套用參考都有重要的探索和借鑑意義。文獻選擇縱向波紋通道內的定型層流傳熱為研究對象，以壁面波紋的波幅與通道平均高度的比值為攝動參數建立簡化分析模型，對壁面不同波紋參數對傳熱特性的影響進行研究，發現：兩板上的傳熱性能隨波紋的波數亦即其密度的增大而降低，兩板傳熱性能的差異隨兩板波紋差異的增大而增大。當兩板波紋的波幅不等時，波幅較大板上的傳熱強度較大，波幅較小板上的傳熱強度較小．在波數和兩板相對波幅一定的情況下，板上的傳熱性能隨波紋波幅的增大，而出現增大和減小的變化，最大傳熱強度隨波紋參數不同而出現在不同的波幅處，兩板波紋差別大時，此峰值出現在波幅較小的地方，差別小時，最大傳熱峰值出現在波幅較大處。
文獻則套用計算流體力學軟體FLUENT對波紋管在層流情況下的傳熱與流動問題進行了三維數值模擬，所模擬的波紋管的母線由多段凹凸圓弧組成(半徑分別為R1和R2),其公稱直徑為20 mm，長度為2m，模擬了幾何參數R1、R2對其傳熱與流動性能的影響，結果表明:與光管相比，層流情況下波紋管能顯著強化傳熱，在雷諾數(Re)相等情況下，波紋管的R1越大、R2越小時的強化傳熱效果越好；在幾何參數相同情況下，Re越大，強化傳熱效果越好，在所研究的範圍內，Nu最大增加了199.5%，同時，波紋管還具有良好的流動性能，大部分Re的範圍內流動阻力係數小於光管的情況，並且隨著Re的增大而逐漸接近於光管的摩擦係數。
