5变壁温管内对流换热场协同优化分析苑中显张建国姜明健北京工业大学环境与能源工程学院。北京100022采用分析方法，求解了壁面热流呈指数变化的圆管内层流热入口段的换热。结果明，换热系数与壁，沿轴向的温度梯度直接相关，轴向壁温梯度越大，换热就越强。进而，分析讨论了壁面热流不同变化情况下，充分发展段的场协同度。通过分析场协同度和对流换热系数的对应关系，验证了场协同原理的正确性，也明优化热边界条件是提高场协同度从而实现强化换热的途径之。 对流换热入口段场协同理论研究明，流体与壁面之间的换热率马速度场和温度梯度场热流场的协同程度有着密切关系1=当换热系统中的速度场和温度梯度场达到充分协同，换热就达到*优，流体流动所需功耗与其换热率的投入产出比就会达到*佳。根据速度场和温度梯度场的协同程度，征对流换热强度的准则数，1数存在着上限和下限，分别是斯=.和从场协同理论的重要意义在于。对于某种流动换热结构，它可以明确告诉我们，在定物理条件下如流体速度温度和物性等此种结构可能达到的*大换热率。因此，场协同理论对传热学本身和强化传热技术来说其重要性不言而喻。 出了3种实现对流换热强化的新途径1采用渐缩式通道；优化热边界条件；也在通道内设置合理的插入物。本文的目的是，针对改变热边界条件来达到强化换热目的的情况，分析讨论速度场己充分发展的变壁温条件下，阋管内层流换热的规律及其可优化性。 收稿，20040705收修改稿4国家重点基础研究发展规划项山批准号，2，000263教育部留学回国人员科研启动基金和北京市1呈指数变化时的壁温响应速度场和温度梯度场之间的协同性很大程度上由两者之间的夹角决定。对于维对流换热，两者之间的点积可以为对管内流动和。分别代轴向和径向坐标，和分别为轴向和径向速度分量。 对于平直通道，山于在充分发展段不存在垂直于壁面的速度分量，故速度场和热流场之间的协同度就等于，即与沿主流方向的温度梯度有关。对于恒壁温边界条件，壁面上此温度梯度为零；对于恒热流边界条件。此温度梯度为常数。 现在的问是找出某些壁面热流变化形式，它们沿主流方向能够产生比恒热流边界条件更大的温度梯度，并且计算出与它们对应的换热系数。 从下面的分析可以看出，呈指数变化的壁面热流分布可以给出系列不同梯度的壁温变化，其中包括恒壁温条件和恒热流条件，因此，下面的讨论就以指数分布为对象。设管内速度场已经充分发展，速度为抛物线分布管内流体被加热，壁面热流分布为热流所产生的壁温响应由下式确定4能景方程得出的本征值及其对应系数，15将2式代入式，并定义无量纲过余温度=；宇户=讨4对上式积分，即可得出札随的变化为对上述结果分析可知，当4足够大1时，7条件，凡为恒壁温条件下求解能量方程得到的首项特征值。而爪=，对应恒热流边界条件。 定温度，而爪25，时则不可能，壁温*终会趋向于无穷大。 2数的变化2.1热入口段的，数变化对于通道内流动，局部热流密度与4部换热温差的关系为根据能量平衡关系，可以推得流体局部截面平均温度为对于现在讨论的壁面热流分布，将2式代入上式，得将7式代入6式，再结合2和5式，就得到局部，数为将灿随的变化关系在2中，可以清楚地看出热入口段和热充分发展段的差别。对定爪值，先是随4增大而直线下降，然后经过个过渡区，*后达到个稳定值。不同1对应不同稳定值，愈大，稳定值也愈大。另外值得注意的是，随爪不同，达到充分发展所需入口段长度也不同，3.中热入口段长度定义为当地，数等于1.，3倍充分发展段的始数的入口段距离。由可，当，由30逐渐变化到10时，无量纲入口段长度相应地从0.3左右减小到0.08左右。这说明热流密度沿轴向的分布形式对热入口段长度有重要影响。 2.2充分发展段的，数变化从8式可知，如果保证当，时，就有另方面，当，2=51.36时，随将趋于零。在下文换热温差的讨论中将会看到。，时随的换热温差也趋于无穷小。这说明，对于壁面热流按2式的指数规律变化的对流换热情形，充分发展段的灿数随爪的变化于4.由4可，充分发展段的况数是随，值增大而增大的。这确实体现了文献1中提出的沿程增大热流密度可以强化换热，的思想。但另方面也要看到，文献1的提法只是热流密度从沿程递减到沿程不变再到沿程增大的部分。与此同时，壁温沿轴向的变化也由，时能够达到某定值而变得趋于无穷。 在实际工程中，过高的壁温往往是材料所不能忍受的。4结果还明。从数随7的增大不是线性的，而是增幅愈来愈小，这与当爪取正值时随增大壁温急剧升高的变化规律1形成反差。 Shah和London也曾讨论了上述类似的问6，在51.36w100范围内，他们给出了更便于应用的关于，的拟合公式3充分发展段的场协同度式，知，场协同度与速度和温度梯度的点积有关。另。方面，在充分发展段轴向速度分虽的分布不再变化，并且径向速度分量为零。是场协同度取决于轴向温度梯度，而流体的轴向温度梯度很大程度上受控于壁温沿轴向的变化。因此，作为近似，可以考虑用壁温沿轴4的变化率来代近壁处速度场和温度梯度场的协同度。 根据5式的关系，可以确定扎沿轴向的梯度变化为根据所取值的不成生在时有如下3种情况以上近壁处场协度的分析结论和直接分析管内全场协同度所得结论定性上是致的。 根据以结论和2式所不的壁面热流变化，以及4从为有限值的实际情况，可以推断，随着逐渐增大，流体截而平均温度凡和实，面温度7之间的关系应为所0时。及能够赶得上7，7=0时。1与之差保持个有限大小，两者保持并行关系；10时，7与的差距愈来愈大。当把伏。与6，之差画在5后此种推断得到验证。随着逐渐增大，2爪0时，虽然对流换热系数趋于非零的有限值。但由十换热温差趋尸苓，从时使得壁面热流密度也逐渐趋于零。 另方面，时换热温差逐渐趋于无穷大。这说明壁面热流密度沿流向逐渐增大时，流体通过两种不同机制来消化这个热负荷个是主动机制，就是通过调节自身温度分布结构来提高对流换热系数。这对于工程应用来说是有利不利的，因为传热过程典耶的不可逆过程，传热温差愈大，不可逆损失也就愈大。此外。增大传热温差还往往导致壁温过从以上结果来看，采用沿程增大热流密度来提，换热量的方式，虽然包含了定程度的主动强化换热机制，但更多的是由加大换热温差的被动机制实现的，因此，在实际工程应用中可能会受到限制。另方面，沿程递减热流密度的方式虽然换热系数相对较低，但因其所产生的*大壁面温度有限，故而可能更便于工程应用。 4结论场协同理论分析得出的沿程增大热流密度可以提高对流换热系数的说法是正确的。分析结果明，对于管内对流换热，换热系数与壁温沿轴向的温度梯度直接相关，轴向壁温梯度越大，换热就越强。恒壁温边界条件和恒热流边界条件只是这种整体规律性中的两个特例。沿程增大热流密度可以得到比悄热流边界条件更高的换热系数，但会导致壁温沿程迅速升高，使实际应用受到限制。相比之下，沿程递减热流密度的方式容易收到换热率和壁温两者兼顾的效果。 3过增元。对流换热的物理机制及其控制速度场与热流场的协同。科学通报，2000，4519282122