研究表明,教科书中描述热流特性的公式过于简化,而这在许多行业都是至关重

时间:2020-04-29 19:55 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

研究表明,教科书中描述热流特性的公式过于简化,而这在许多行业都是至关重

无论是在工业厂房的冷凝板上流动的水,还是在加热和冷却管道中呼啸而过的空气,流体在平面上流动是现代生活中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,上面的部分流动得更快,等等,直到它以原来的速度全速运动。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。

Lienhard对传热数据的回顾揭示了层流和紊流之间的一个重要过渡区。这个过渡区对热流的阻力在其他两个区域之间是逐渐变化的,这个过渡区和之前的层流区一样长,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。

然而,事实上,大多数从事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,林哈德指出。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。他说:“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了。”

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,“实验室实验通常也不符合理论假定的边界条件。”一个实验室的盘子可能有一个圆角或者一个不均匀的温度,所以在20世纪40年代、50年代和60年代的研究人员经常‘调整’他们的数据来迫使他们同意这个理论,”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。“但他们无法完全解出自己推导出的方程,”他说。“那得等到1949年数字计算机开始使用之后。”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。这样一来,学生们就可以看到这些方程是否有效。”他说。“我查阅了1930年的实验文献。收集这些数据清楚地表明: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。

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