麻省理工学院的研究表明,教科书中描述热流特性的公式过于简化

时间:2020-05-07 21:14 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

麻省理工学院的研究表明,教科书中描述热流特性的公式过于简化

了解流体是如何加热或冷却表面的;在很多行业都很重要

无论是在工业厂房的冷凝器板上流动的水,还是通过加热和冷却管道急速流动的空气,流体在平面上流动都是现代生活许多过程的核心现象。然而,一项新的分析显示,人们对这个过程的某些方面了解甚少,有些方面被错误地传授给了一代又一代的工科学生。

这项研究检查了几十年来发表的关于流体流动的研究和分析。它发现,虽然大多数本科教科书和课堂教学在传热描述这样的流动有两个不同的区域,由一个突变分开,实际上有三个不同的区域。研究人员说,一个漫长的过渡带与第一个和最后一个过渡带同样重要。

这种差异与流体流动的两种不同方式之间的变化有关。当水或空气开始沿着一个平坦的固体薄片流动时,一个薄的边界层就形成了。在这一层中,最靠近表面的部分几乎不动,因为有摩擦,在上面的部分流动得更快,如此类推,直到它以原流的全速运动。这种稳定的、逐渐增加的速度通过薄的边界层称为层流。但在进一步下降的蒸汽中,气流发生变化,分裂成混乱的旋涡和涡流,也就是众所周知的湍流。

边界层的特性决定了流体传递热量的能力,这是许多冷却过程的关键,如高性能计算机、海水淡化厂或发电厂冷凝器。

学生们已经学会了计算这种流动的特征,就好像层流突然转变为紊流一样。但是麻省理工学院水和机械工程的Abdul Lateef Jameel教授John Lienhard仔细分析了公布的实验数据,发现这幅图忽略了过程中的一个重要部分。研究结果刚刚发表在《传热杂志》上。

列恩哈德对传热数据的分析表明,层流和紊流之间存在一个明显的过渡区。这个过渡区对热流的阻力在其他两个区之间是逐渐变化的,而且这个过渡区和它前面的层流区一样长,一样独特。

林哈德说,这些发现可能会对从海水淡化或其他工业规模过程的热交换器的设计,到理解通过喷气发动机的空气流动等方方面面都有潜在的影响。

林哈德指出,事实上,大多数研究这类系统的工程师都知道存在一个长过渡区,即使它不在本科教科书中。现在,通过澄清和量化这一转变,本研究将有助于理论和教学与实际工程实践相结合。在过去的六七十年里,突然转变的概念已经在传热课本和教室里根深蒂固。他说。

理解沿平面流动的基本公式是所有更复杂流动情况的基本基础,如气流通过弯曲的飞机机翼或涡轮叶片,或用于冷却再次进入大气层的空间飞行器。平坦的表面是理解这些东西如何工作的起点。Lienhard说。

平坦表面的理论是由德国研究人员恩斯特·波尔豪森在1921年提出的。但即便如此,实验室实验通常也与理论假定的边界条件不符。一个实验室用的盘子可能有一个圆形的边缘或一个不均匀的温度,所以在20世纪40、50和60年代的研究者们经常调整温度。他们的数据使人不得不同意这个理论。他说。在其他方面良好的数据和这个理论之间的差异也导致了热传递文献专家之间的激烈分歧。

林哈德发现,英国航空部的研究人员早在1931年就发现并部分解决了地表温度不均匀的问题。但是他们并不能完全解出他们导出的方程。他说。从1949年开始,他们不得不等到数字计算机可以使用时才开始使用。与此同时,专家之间的争论还在继续。

林哈德说,他决定研究一下教授的这些方程的实验基础,因为他意识到,几十年来,研究人员已经知道,这种转变起了重要作用。我想用这些方程来绘制数据图。通过这种方式,学生们可以看到这些方程是如何工作的,或者是如何不工作的。他说只我查阅了1930年以来的实验文献。收集这些数据使我们清楚地认识到:我们所教授的内容过于简单化了。对流体流动的描述不一致意味着传热的计算有时是错的。

现在,有了这个新的分析,工程师和学生们将能够在非常广泛的流动条件和流体中精确地计算温度和热流,林哈德说。

由于缺乏对基础物理的第一性原理的清晰理解,在流动状态由层流过渡到湍流状态的区域内,传热系数的预测一直是一个巨大的科学挑战。佐治亚理工学院机械工程教授安德烈·费多罗夫(Andrei Fedorov)说,他没有参与这项工作。里,常可听到”;他还说,Lienhard仔细梳理一组不同的实验数据对过渡区几十年来发表的不同研究人员想出了一个令人惊讶的是有效的,在其预测能力,相关的传热系数,横跨整个范围的流动从层流到湍流.&rdquo过渡;

弗吉尼亚理工大学机械工程荣誉教授罗伯特·马汉也没有参与这项工作,他说林哈德指出了这一点。和解决本;古典文学中的矛盾已经有超过一代人的时间没有得到解决。当学术上的尘埃从这短暂而强大的旋风中尘埃落定时,毫无疑问,严肃的学者和实践中的工程师们将利用这一贡献中提出的最新的相关性来预测平板传热。

参考文献:平板边界层的传热:层流、过渡和湍流流动的相关性约翰·h·林哈德(John H. Lienhard)著。

URI: 1721.1/124894

当前位置:主页 > 技术知识 >

声明:本文小可爱科技知识网整理不代表个人观点,转载请注明原文,点击还能查看更多的文章;本文网址: http://www.kozbods.com/jishu/1489.html

围观: 次 | 责任编辑:小可爱科技知识网



回到顶部