湍流傳熱是指流體作湍流流動時發生的傳熱。因其質點作不規則運動，流場中各種量隨時間和空間坐標發生紊亂的變化，導致管中心處溫度與管壁處的溫度差較小，換熱效率高。因此，在實際套用中，湍流傳熱得以廣泛套用。
基本介紹
- 中文名：湍流傳熱
- 外文名：turbulent flow heat transfer
- 分類：熱力學
- 領域：能源利用
- 基本釋義：流體作湍流流動時發生的傳熱
- 學科：物理化學
湍流與湍流傳熱,典型模擬計算,專利與套用,
湍流與湍流傳熱
湍流是流體的一種流動狀態。當流速很小時，流體分層流動，互不混合，稱為層流，也稱為穩流或片流；逐漸增加流速，流體的流線開始出現波浪狀的擺動，擺動的頻率及振幅隨流速的增加而增加，此種流況稱為過渡流；當流速增加到很大時，流線不再清楚可辨，流場中有許多小漩渦，層流被破壞，相鄰流層間不但有滑動，還有混合。這時的流體作不規則運動，有垂直於流管軸線方向的分速度產生，這種運動稱為湍流，又稱為亂流、擾流或紊流。
流體的流動出現湍流後既可以發生湍流傳熱，因流體的質點作不規則運動，流場中各種量隨時間和空間坐標發生紊亂的變化，導致管中心處溫度與管壁處的溫度差較小，換熱效率比層流傳熱得以提高。因此，在實際套用中湍流傳熱得到廣泛套用。
強化湍流傳熱常常是強化傳熱過程的主要途徑，常採用的手段有：①選用熱導率比較大的流體。例如，氫冷比空氣冷有效，水冷效果更佳；②加大流動速度，以提高湍流度，減薄邊界層，降低對流熱阻；採用短管換熱器也可以抑制邊界層增厚；③採用螺旋管、螺旋板、入口旋流片、各種波形管、異形管和管內插入件，以及粗糙表面等以增強流體擾動；④在湍流換熱較弱的一側採用肋片、翅片，以增大換熱面積和擾動度。
典型模擬計算
文獻將GAO-YONG湍流模型套用於湍流傳熱的研究，分別計算了平板剪下湍流和二維平面衝擊射流的湍流傳熱問題。邊界層剪下湍流流動與換熱的計算表明：與傳統的湍流模型不同，GAO-YONG湍流模型不需要對近壁區域做任何特殊處理(比如壁面函式、低Reynolds數修正等)即可模擬出從壁面到主流區的全部流動與傳熱情況；另外，對於衝擊射流Nusselt數的模擬也得到了與實驗符合較好的計算結果，準確地捕捉到了2種衝擊高度下流場換熱的不同特徵，表明了GAO-YONG湍流模型能夠較高精度地計算湍流換熱。
為了深入理解再生冷卻過程中碳氫燃料的超臨界湍流傳熱特性，文獻則以正癸烷為研究對象，對其在非對稱受熱（上壁面外側加熱）方形通道內的流動傳熱進行了數值研究。在數值方法可靠性得到充分驗證的基礎上，詳細探討了進口溫度和壓力等運行參數對通道上壁面和側壁面內側平均壁溫和平均努塞爾數分布的影響。計算結果表明：在運行壓力接近臨界壓力且主流溫度處於擬臨界溫度附近的綜合條件下，流體熱物性劇烈變化導致的類膜態沸騰效應，引起了上壁面內側顯著的傳熱惡化現象。同時，不平衡壓差誘發的通道截面速度場異常分布，進一步影響了上壁面內側近壁區域流體的換熱性能。另外，類膜態沸騰效應致使上壁面熱流更多地傳遞到側壁面，導致側壁面平均努塞爾數大幅增大，相比於正常換熱的最大增幅約為50%。
文獻以長方體Rayleigh-Bénard湍流熱對流系統為研究對象，通過改變下導板加熱片的功率分布改變下導板的溫度分布，精確測量了系統湍流傳熱效率Nu數，研究了非均勻加熱對Nu數的影響。實驗結果表明：在非均勻加熱情況下，Nu數得到了提升，且加熱片的功率分布越不均勻，Nu數的提升越顯著，實驗中Nu數的提升最大達到13%。值得注意的是，非均勻加熱時，上下導板溫差越大，Nu數的提升會更加明顯。該文獻推測Nu數獲得提升的原因是：線上性非均勻加熱狀態下，左右不對稱的下導板溫度邊界層促進了熱羽流的生成，進而提高了傳熱效率。
專利與套用
實用新型專利公開了一種湍流傳熱鍋爐，該鍋爐包括雙層壁構成的爐體，雙層壁之間形成用於注水的水套，雙層壁的內壁向爐體內伸出一個以上的受熱片，所述受熱片表面設定有導熱肋條，所述導熱肋條位於受熱片的下表面，所述受熱片相互之間平行交錯，所述導熱肋條的截面形狀為圓形、半圓形、三角形、梯形、四方形、梳齒形其中的一種或幾種，所述導熱肋條焊接在受熱片表面。本實用新型具備的有益技術效果是：受熱片的表面設定有導熱肋條，而導熱肋條可以使熱量在傳遞過程中形成湍流效應，水套中的水能夠更好地吸熱升溫，提高了熱效率。
在區域供冷、供熱和流體的長距離管道傳輸過程中，需耗費大量的能量。通常，流體的沿程流動阻力和熱損失是能源損耗的重要因素之一。在水中加入適量的減阻添加劑CTAC可以是湍流的阻力大大降低，最大可減少80%的阻力。但同時，人們發現這種熱流體的傳熱性能下降。在阻力減少的同時，伴隨傳熱性能最大下降可達80%。有的地方需要在減少阻力的同時，做到不降低流體的湍流特性，從而增強傳熱效果。發明專利提供了一種用於動力工程技術領域的控制減阻流體的湍流及傳熱特性的方法，包括三個基本步驟：減阻流體特性的提取：特性包括流動的雷諾數，添加劑CTAC溶液的濃度，流體的溫度，獲取該減阻流體的表面活性劑濃度CMC，用溫度計測出流體的工作溫度範圍並記錄下來，針對具體的減阻流體的濃度和特性尺度確定減阻流體的雷諾數Re；控制方式的選擇：根據濃度和減阻流體的雷諾數，控制減阻流體湍流特性的控制裝置選用格線裝置，控制的位置從需要增強湍流特性的位置前30mm開始，篩網間隔地分布於整段需要增強湍流特性的區間；控制器材的確定：在需要增強傳熱的部件或管道內安裝相應的格線裝置，或者在傳熱的部件或管道前安裝格線裝置，一張A型格線相當於4張C型格線的效果。
