哈尔滨理工大学学报电场强化对流换热的场线坐标法数值模拟张颖陈春天2，贺元吉3，杨嘉祥。哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨15，奶；2.哈尔滨理工大学应用科学学院，黑龙江哈尔滨5，8，3.北京第炮兵第研究所，北京130，85分布的数学模型，并利用场线坐标法对线板电极系统的电场电位及电荷密度的分布进行了数值模拟，得到了场域空间单相气体所受电场力的分布情况。模拟结果显，有电晕放电产生的电场可引起场域空间气体的紊流，并导致对流换热的增强。 近年来，由于余热利用海洋能及地热能开发中对小温差传热的要求，使得效强化换热技术逐渐成为国内外学者的研究重点，强化换热技术按其强化方式的不同可划分为有源强化和无源强化。收稿日期20030912基金项目国家自然科学基金资助50076，电流体力学招16，7仙8强化换热作为有源强化换热方式的种，凭借其强化换热效果显著设备简单及易于控制热流和温度等优点，正日益受到国内外学者的重视。只0强化换热技术就将通量带横断后，4就是从第条等位线沿通量带中线向下至第7+1条等位线的递增步长。通量连续性方程不为引入函数，通量带横断线长度的变化率，将其定义如下由式58可得这里人心心众由于离子迁移率咖几乎不随电场变化，可看作是常数，因此，在所对应的通量带内也是常数将式9写成有限差分形式略不计。 依据以上分析，式和3可改写为1.2场线坐标法对电场的数值模拟采用场线坐标法151.用爪条电场线将整个场域空间分割成爪个通量带，每相邻两电场线在起始位置的夹角为271如。通量带内满足电流连续性，其结构2.通量带被个长度为1的等位线截断，为横断线上的电流密度，为从第个等位横断线位于线电极面的中心开始，沿通量带中线向下的长度。如果每通量带的等位横断线上的参数变化足够小，则可将这些参数视为仅是长度的函数，即等位横断线长度记为电流密度大小记为耶，电场强度值记为邱等。于是，沿通量带的电流连续性方程可为这里，1.兰0是通量带起始位置位于线电极面的横断线长度，严以，是通量带起始位置的电流密度值。 是在流体中施加外电场，利用电场流场及温度场布特性是决定换热器运行性能的重要因素。理论和实验研究均已证实由扭效应所引起的电场力能够破坏或减小换热面的热边界层，增加对流及气泡或液滴的迁移，以此导致换热面的换热率大幅度提叭目前，电场分布对电场强化换热影响规律的研究还停留在定性分析上，尚不能给出深人定量的分析31.本文在现有研究成果的基础上，利用场线坐标法对线板电极结构的电场电位电荷密度及由效应所引起电场力的分布进行数值模拟，并分析该电场力对单相气体对流换热的影响。 1场域模型结构场域模型结构1.线电极与平板平行放置，线电极半径=0.5线板电极之间的距离办= 2.5胃。在线电极上施加6的电压，平板接地，则线电极面将发生电晕放电。 场域空间的电位及电流分布满足泊松方程及电流连续性方程。 由于电场达到定强度而使线电极周围的气体发生电离，在线电极附近的极窄区域内既有正离子也有电子，电子迅速被线电极捕获，而正离子在库仑力的作用下向平板漂移，致使场域空间被分成两个区域邻近线电极的极窄的电离区只有正离子及中性分子的漂移区。为简化数学模型，可做如下假设电场为维场，放电电流稳定，无扰动；场域空间仅有正离子及中性分子，电子对空间电位分布的影响可忽略电场的扩散效应要比漂移效应小得多，可忽线的长度从位置；到+4的增加可看作是线性的，因此有在第1通量带内对第7条横断线而言乃是常数。由式10和可得则可得到=为第条等位线的曲率半径。此时式12可改写为等位线间电位差4=7，是常数。因此，相邻两等位线间的步长么可由下式求出如果足够大，则由式15经积分得到的。将与直接由尽，得到的么更为接近。 将得到的以，代入式14，则可得到相邻两等位线上电场强度的关系等位线上电流密度的关系而由式5可得到各等位线上离子电荷密度的分布情况连接所得的4的外端点，则得到了条新等位线。在已得到的数据基础上重复以上计算步骤，直至达到0等位线板电极为止。 通过以上分析可知，若要用此方法进行电场计算，则线电极面的电场及电流密度的分布需要事先给出。另外，计算的准确度与选取的通量带和等位线的数目密切相关，所取数目越大，即场域空间分割越精细，则计算准确度越高。在计算机容量许可的条件下，本计算所选通量带数目为12，等位线数目为2000.计算时选取的外施电压为6kV.为使输出形可读性更强，每隔外施电压的输出条等位线；而电场线的输出准则为在电场线起始位置线电极面每隔76即输出条。 2计算结果与讨论2.1等位线及电场线分布等位线及电场线的分布情况3.由曲线可由于线板电极距离较小，外施电压相对较大，使得线下方的等位线分布密集，电场线几乎垂直于板电极。 2.2电场及电荷密度分布圮上足方向的电场及电荷密度厂的无量纲化的分布曲线。由56可，越靠近中间的电场线，越大，则逐渐减小到0.而由于电晕放电发生在线电极面，使得靠近线电极位置的电荷密度较大，其他位置较小，7.线电极板电极生粒子流。由于正离子在场域各点所受电场力的大小不同，使得各处粒子的运动速率也不同，在靠近线电极和中间电场线的位置处，粒子的运动速率大，而两侧的粒子运动速率小，这将导致强电场区局部紊流的产生。如果提高电场，则离子流的强度将增大，使得流体所受的电场力变大，导致粒子流的平均平动动能增加，气流的流动速率也将提，这会使气体流动加剧，换热效率得到提高。 23电场力分布施加于流体上的电场力通常如下61. 等式右边的项依次为电泳力介电电泳力和电致伸缩力。电泳力是流体中的自由电荷所受到的电场力，对于强制和对流换热，该项力起主要作用；介电电泳力是在不均匀电场下由于介电流体的介电常数不均匀或空间变化而产生的施加于流体上的力；电致伸缩力则是由于电场强度的非均匀性及介电常数随温度和流体密度变化而引起的。对于存在气液界面的两相传热情况，后两项是电场对流体的主要作用力。对于不存在气液界面的单相气体，由0效应所引起的电场力主要为式19中的电泳力，据此得到的在直线圮和幻上的电场力在义7方向的分量，4；分别由8和9给出。在靠近线电极或中间电场线的位置，由于，和都较大，因此纵向电场力人较强；越靠近板电极或越偏离中间电场线的位置，由于或的减小，人，也减小。的分布也直接决定着横掠电场力，的分布，但由于比尽小很多，因此九较九也小很多。场域空间的正离子在人，的作用下将沿7方向向板电极做加速运动，在=的作用下将向两边做加速运动。 正离子在运动过程中碰撞中性分子，并将其动量传递给中性分子，致使中性分子也将做加速运动并产3结语力场的数值计算是种初步尝试。这种算法不仅适用于单相流体，也可在双相流体的综合物理场计算中得到应用。从所获得的线板电极结构的电场电荷密度及单相气体所受的电场力的分布可在电场力作用下做加速运动的正离子将引起中性分子流的产生，加速气体流动，并对热交换面的热边界层造成扰动，从而促进了对流换热效率的提高。 对于提高0强化换热效率，还存在着以下需进步研究的问电极结构的排布；外施电压的极性；外施电压的交变性和稳定性等。 4结语本试验装置目前已应用于聚物薄膜耐局部放电试验，为研究高聚物薄膜的耐电老化性能提供了有效的试验数据。经过实际运行检验证明，本装置设计合理，有效地隔离了外界干扰，安装操作简便。将电极系统移人试验箱内，不仅缩小了试验装置的体积，而且使用安全方便，运行稳定可靠，确保测试人员的安全。 朱，恒，严璋。高电压绝缘。清华大学出版社，1990.274275. 陈季丹，刘子玉，电介质物理学M.北京机械工业出版社，1982.326337. 张沛红，张维国，薄膜材料耐局部放电装置的研制第届全国工程电介质学术会议。中国，泰安，2002，912. 审稿张晓红教授，王暄教授；编辑王萍上接第61页1李瑞阳，陈赉宝。陈之航，袁益超上扭强化传热机理分析几华东工业大学学报，1996，1贫4512 3董超，李瑞阳，黄羽，郁鸿凌，陈之航上强化换热研究中的重要问电场特性的影响规律几能源研究与信息，2001713644. 审稿李燕飞教授，张卫宁教授；编辑高长福