第2章传热学场协同
基于场协同原理的强化传热新视角
基于场协同原理的强化传热新视角
传热是热力学的基本过程之一，涉及到热能从一个物体传递到另一个物体的过程。
传
热的研究可以帮助我们理解和改进许多工业和自然过程，如能源转化、热管设计、电子设
备散热等。
传热的方式有三种：传导、对流和辐射。
传导是热量在固体或流体中的直接传递，对
流是液体或气体中由流动引起的传热，辐射是热能以电磁波的形式传递。
过去的热传递研究主要关注传热方式的独立性，即在不同传热方式之间没有相互作用。
实际情况中，传热过程通常是综合各种传热方式的结果。
了解多种传热方式之间的相互作
用对于准确预测和优化传热过程至关重要。
在这方面，基于场协同原理的新视角提供了一种独特的方法。
场协同原理认为，不同
传热方式之间的相互作用的本质是因为它们共享相同的物理场。
传导和对流之间的相互作
用是通过物质的运动和温度分布之间的耦合来实现的。
辐射和对流之间的相互作用是通过
介质的吸收和辐射能量之间的关系来实现的。
基于场协同原理的新视角还可以帮助我们优化传热过程。
通过理解不同传热方式之间
的相互作用，我们可以设计更有效的传热设备和系统。
可以通过调整流体流动的方式来改
变对流和传导之间的相互作用，从而提高传热效率。
该新视角还可以用于优化材料的热传
导性能，从而改善传热设备的性能。
场协同原理(传热)
传热学作业---《场协同原理》航空航天工程学部04040203班2010040402084蔡莉2013年5月31日场协同原理04040203班2010040402084蔡莉一、内容该原理认为，在速度场、温度梯度分布一定的条件下，二者之间的夹角(场协同角)对对流传热强度有重要影响，夹角越小，传热强度愈高。
⏹场协同概念：流动当量热源不仅取决于速度场、热流场、夹角场的绝对值，还取决于这三个标量值的相互搭配。
对流换热中速度场与热流场的配合能使无因次流动当量热源强度提高，从而强化传热，此时称速度场与热流场协同较好。
理论研究表明,流体与壁面之间的换热率与速度场和温度梯度场(热流场)的协同程度有着密切关系。
当换热系统中的速度场和温度梯度场达到充分协同时,换热就达到最优,流体流动所需功耗与其换热率的投入产出比就会达到最佳。
根据速度场和温度梯度场的协同程度,表征对流换热强度的准则数Nusselt数存在着上限和下限,分别是Nu=Re•Pr和Nu=0,一般换热结构的换热率均处在此上、下限之间.该理论被称为场协同理论,它的建立无疑对强化传热技术的发展有重要促进作用。
强化能量的传递与转换过程是人们所关注的重要课题, 几十年来人们进行了大量的理论与实验研究, 取得了很大的进展并获得实际的应用。
然而, 在研究其强化机制方面一直缺乏统一的理论。
例如, 在研究强化对流热传输时, 无论是理论分析、实验研究还是数值计算都把注意力集中于讨论和求得对流换热系数h 和反映对流换热强度的无量纲数Nu。
过增元等[2][3]从场协同的观点分析了对流换热的机制, 提出了场协同原理, 指出换热强度的大小不仅取决于温度梯度、流体的速度和物性,还取决于速度场与热流场的协同程度。
⏹对流换热的物理机制（1）对流换热从本质上来说是具有内热源的导热，流体的运动起着当量热源的作用。
（2）对流换热的强度取决于当量热源的强度，它不仅取决于流体与固壁的温差、流动速度和流体的热物理性质和输运性质，而且还取决于流体速度矢量与热流矢量的夹角。
传热学第二章(2)精品PPT课件
t2
tf2
三层平壁的稳态导热
1-8
10.10.2020
Department of Thermal Energy Engineering
有内热源时的导热
电机绕组线圈和输电线、电缆的冷却，核电站中核燃料元件的释 热，水泥的固化，微波加热食品以及半透热介质对辐射的吸收 等. 特点：通过有内热源物体中各等温面的热流量不再处处保持相等， 而是从绝热面到边界面具有一种累加的效果.
q(x)V x
Heat and Mass Transfer
1-11
10.10.2020
Department of Thermal Energy Engineering
变导热系数问题
实际工程问题的需要. 材料的导热系数一般随温度呈非线性变化。但只要温度范围不 很大，可以近似视为线性. 通常表示为：
0(1b)t
图2.4 复合平壁导热与等效热网络
• 温度场和热流场很难 继续保持严格的一维;
• 只要并排两种材料的导 热系数相近,仍按一维问 题处理不失为一种合 的假设和简化处理方法.
Heat and Mass Transfer
1-6
10.10.2020
Department of Thermal Energy Engineering
1-7
10.10.2020
Department of Thermal Energy Engineering
多层、第三类边界条件
q
1 h1
tf1 tf 2
n
i1
i i
1 h2
单位：
W m 2
tf1 h1
t2
t3
h2
tf2
传热系数？
传热学第二章
阻，试确定稳态工况下燃料层的最高温度、燃料层与铝板
的界面温度及铝板的表面温度，并定性画出简化模型中的
温度分布。
传热学第二章
解：据题可知，这是一个结构对称的有内热源的导热问题，
hP(t
Ac
t)0
引入过余温度 tt ；令
则有：
d2
dx2
m2
m hP const
Ac
混合边界条件：
x0时，＝0＝t0 t xH时，ddx 0
传热学第二章
方程的通解为：
c1em xc2emx
应用边界条件可得：
c1
0
e mH emH emH
c2
0
emH emH emH
最后可得等截面内的温度分布：
稳态时，套筒得到的热流=筒身的导热+套筒的辐射换热
∴ 套筒的壁面温度<压缩空气的温度
即：温度计的读数不能准确地代表被测地点处的空气温度。
(2) 把套管看成是一个截面积为d的直肋，测量误差就等于套
管顶端的过余温度，即
H=tH－tf
根据肋端过余温度的计算公式
H
t0 tf ch(mH)
可得
tf
tHch(mH)t0 ch(mH)1
t
2
(
2
x
2
)
tw
2. 有无内热源导热问题的比较
(1) 无内热源的平壁导热，其内温度成线性分布；而有内热源 的平壁导热，其内温度成抛物线分布。
(2) 无内热源的平壁导热，其通过板内任意断面的热流密度相
等，即q=const，而有内热源的平壁导热，其通过板内任
传热过程中的场协同作用应用分析
传热过程中的场协同作用应用分析
场协同作用是近几十年来科学家们研究的一个热点前沿性课题，它也可以应用于传热过程之中。
在传热过程中，场协同作用的概念及应用，其起着重要的作用。
所谓场协同作用，指的是一定范围内，多场或多物性之间相互作用，其效果是大于各单独场或物性作用之和，或等于它们的总和。
传热过程中，场协同作用分为直接协同作用和间接协同作用，其中直接协同作用又可以分为绝对型和相对型。
对于绝对型的直接协同作用，当有一种作用场存在时，传热率可以超过多存在两种作用场中最大传热率的那种作用场。
例如，当湍流流体运动携带有热能时，气体流体在运动中受到电磁场的影响，可以使传热率升高，从而更好地传递热量。
而相对型协同作用，则指场与场之间或物性与物性之间相互作用，其和少于各单独场或物性作用之和。
例如，当电磁场和热场被耦合在一起时，其传热率较两个存在单独的场的传热率的和低一些，这源于当场与场之间相互作用时，会出现抵消或削弱的情况，使得热量的传递得不到很好的控制。
传热过程中科学家们对场协同作用的研究，几乎影响了几乎所有的工程领域，尤其是能源和动力系统等。
例如，在水力系统中，可以利用热场协同作用，来改善水中热量传输的能力，提高水力发电机组的运行效率。
总之，随着科学技术的发展，研究把场协同作用运用到传热过程中，对传热过程有着重要作用，而且能实现热量传播质量的提高，同时从传热领域和节能减排领域都能产生重大的科学经济效益。
基于场协同原理的强化传热新视角
基于场协同原理的强化传热新视角传热是现代工程实践中的一个重要问题，其在许多领域都具有极其重要的应用，如发电、空调、冷却等。
因此，如何提高传热效率、降低传热阻力是一个长期存在并值得研究的问题。
场协同是多学科交叉研究的一个重要内容，其本质是指场之间的相互合作与共同发挥作用。
传热领域也有类似的概念，称之为传热协同。
一般而言，传热区域内存在的多个物理场互相耦合，相互影响。
传热协同的研究就是寻找这些物理场之间的协同关系，并利用这种关系去提高传热效率以及降低传热阻力。
近年来，传热协同原理已经成为热科学领域研究的一个新方向。
传热协同原理包含以下几个基本部分：多场耦合、协同增强、协同优化以及协同减阻。
其中，多场耦合指的是传热区域内存在不止一个物理场，这些场之间相互交换物质、能量、动量等，并通过物理作用机制实现传热。
协同增强指的是在多场耦合的基础上，通过相互作用的方式，使得传热效率得到增强。
协同优化指的是在协同增强的基础上，利用不同场之间的协同关系，从而优化传热系统，使其在设计、运行等方面得到优化。
协同减阻指的是在协同优化的基础上，通过改变场之间的作用机制，实现对传热阻力的降低。
在传热协同的研究中，场之间的相互作用机制是非常重要的。
传热区域内存在的多个物理场之间可以通过热对流、热辐射、热传导等方式进行相互作用，其中，热对流以及热辐射作用尤其重要。
热对流作用是指通过液体或气体的流动，将热量带走的过程，因此对于流体介质中的传热具有重要作用。
热辐射作用是指通过辐射的方式，将热量从一个物体传递到另一个物体的过程。
在太空、真空等环境下，热辐射作用成为热传递的主要方式。
在场协同的基础上，我们可以通过改变场之间的作用机制，从而实现对传热效率以及传热阻力的调节。
例如，在热对流传热中，我们可以通过改变流体的流速、流量等参数，从而实现对传热效率的调节。
在热辐射传热中，我们可以通过改变物体表面的发射系数、反射系数等参数，从而实现对传热效率的调节。
基于场协同原理的强化传热新视角
基于场协同原理的强化传热新视角传热是物体之间热量传递的过程，是各种工程和科学领域中的重要问题。
传热的目的是为了使物体之间的温度趋于均匀，以满足热流的要求。
强化传热是指通过改变传热介质或传热界面的某些特性，来提高传热效率。
场协同原理是近年来工程热物理领域的一个新兴概念，指的是在传热过程中，不同的场（如温度场、流场、应力场等）之间的相互协同作用。
场协同原理认为，在传热过程中，不同场之间的相互作用会影响传热效果。
传统的传热理论往往只考虑了温度场的影响，而忽略了其他场的作用。
在实际的传热过程中，流体的运动状态、介质的物理性质以及传热界面的形态等因素都会对传热效果产生重要影响。
在对流传热过程中，流体的流动状态对传热效果有着重要影响。
当流体处于湍流状态时，流体的混合程度较高，传热效率也相对较高。
而当流体处于层流状态时，流体的混合程度较低，传热效率也相对较低。
通过调节流体的流动状态，可以实现对传热效果的强化。
介质的物理性质也会对传热效果产生影响。
传热介质的热导率、密度和比热等物理性质都会影响传热速率。
通过选择合适的传热介质，可以实现对传热效果的强化。
传热界面的形态也会对传热效果产生影响。
在接触传热过程中，传热界面的表面粗糙度会影响传热界面的接触面积，从而影响传热速率。
通过调节传热界面的形态，可以实现对传热效果的强化。
基于场协同原理的强化传热新视角提供了一种全新的思路和方法来优化传热过程。
通过综合考虑温度场、流场、应力场等不同场之间的相互作用，可以实现对传热效果的精确控制，进而提高传热效率。
这一新视角为传热工程的发展和应用带来了新的机遇和挑战。
基于场协同原理的强化传热方法不仅能够提高传热效率，还能够降低能耗和环境污染，具有重要的理论和实际意义。
场协同理论与换热器强化传热技术
置 。
程 强 化 结 构 等 强 化传 热方 法 。
以 上 强 化 传 热 技 术 的 应 用 使 得 换 热 器 强 化 效 能 得 到 很 大 提 高 ， 存 在 一 个 普 遍 的 问 题 就 是 传 热 强 化 的 同 时 ， 动 阻 力 但 流
传 热 技 术 得 到 了迅 速 的发 展 和 应 用 ．它 不 但 能 节 约 大 量 的 能
源 ， 且能大大减少设备的重量和体积。 而
的 帮 助 ， 要 包 括 电 磁 场 强 化 对 流 、 热 表 面 振 动 、 流 冲 击 主 传 射 强 化 传 热 及 机 械 搅 动 、 转 等 强 化 技 术 。无 源强 化 传 热 技 术 除 旋
能涯 环境
Ｉ ＳＮ １６７２—９０６４ 。 Ｓ
场 协 同理 论 与 换 热 器 强 化 传 热 技 术
赵 珍 强 王 婷 ｚ
（ 海 军后 勤技 术 装 备研 究所 北 京 １ ０ ７ １ ００２ ２ 北京 国际 电力 新 能 源有 限公 司 北 京 １０ ７ ） ０ ０ １
换 热 的传 热 量 可 用 Ｑ ｋ Ａ ＝ Ｆ Ｔ计 算
片 管 等 异 形 强 化 管 的方 法 和 加 装 扰 流 装 置 、添 加 物 及 采 用 壳
其 中 ，一 ｋ 传热 系数／ （ Ｉ Ｆ 传热 面积／ ２Ａ 一 Ｗ／ ・ 一 ｍ ｑ； ｍ ； Ｔ 冷热 液
体 的平 均 温 差 ， 。 可 见 ， 加 传 热 量 的 方 法 是 ： Ｋ 增 （） 加 冷 热 液 体 的 平均 温差 △ 。 实 验 数 据 表 明 ： 冷热 １增 Ｔ 在
高等传热-场协同
U ⋅ ∇T = U ∇T cos β
其中 β 为热流与速度矢量的夹角。
（9）
从（6）和（8）式可以看到，改变流速、温差、流体物性或者改变 Re 数和 Pr 数就可以
2
控制对流换热的强度，这是为大家所熟悉的。然而，从（ 6）和（8）式中的矢量点积项还可 以看到，速度矢量与温度梯度，或者说速度矢量与热流矢量的夹角 β 对热源的大小，即对 流换热的强度起着重要的作用。当它们的夹角 β 小于 90o 时， β 愈小则对流换热系数愈大， 当 β ＝0 时，可达到其最大值。 从（8）式还可以导出：
图 1 理想对流换热－速度场与温度场完全协同 (a) 流体加热 (b)流体冷却
3
图 2 速度场与温度场完全不协同 2）以上两例均为理想情况，我们再看看其实际换热的例子。 （Ⅰ）流体通过两无限大平行平板间的对流换热。如图 3 所示。上下平板温度分别为Th 和 Tc ，进口流体温度为 T f ， Th > T f > Tc ，流体物性不随温度变化。设进口流体速度剖面已 充分发展，即速度和速度剖面沿流动方向不再发生变化。
ρ c p (u
∂T ∂T ∂ ∂T + v ) = (κ ) ∂x ∂y ∂ y ∂y
（1）
其中， ρ ， c p 和 κ 分别是流体的密度、比热和导热系数；T 是温度；u 和 v 是速度。 有内热源 q & 的导热方程为：
1
−q &=
∂ ∂T (κ ) ∂y ∂y
（2）
如果把对流换热能量方程（ l）中的对流项比拟为内热源，就可把对流问题比拟为有内 热源的导热问题来处理，所不同的是此热源是流场的函数而已。由于我们最关心的是壁面处 的热流，所以对方程两边积分，有：
传热学第二章
习题平板2-1 用平底锅烧开水，与水相接触的锅底温度为111℃，热流密度为424002/m W 。
使用一段时间后，锅底结了一层平均厚度为3mm 的水垢。
假设此时与水相接触的水垢的表面温度及热流密度分别等于原来的值，试计算水垢与金属锅底接触面的温度。
水垢的导热系数取为1W/(m.K)。
解：由题意得424001003.0111=-=w t q ＝w/m 2所以t=238.2℃2-2 一冷藏室的墙由钢皮矿渣棉及石棉板三层叠合构成，各层的厚度依次为0.794mm.,152mm 及9.5mm ，导热系数分别为45)./(K m W ,0. 07)./(K m W 及0.1)./(K m W 。
冷藏室的有效换热面积为37.22m ，室内外气温分别为-2℃及30℃，室内外壁面的表面传热系数可分别按1.5)./(2K m W 及2.5)./(2K m W 计算。
为维持冷藏室温度恒定，试确定冷藏室内的冷却排管每小时需带走的热量。
解：由题意得332211212111λδλδλδ++++-⨯=Φh h t t A ＝2.371.00095.007.0152.045000794.05.215.11)2(30⨯++++--＝357.14W357.14×3600＝1285.6KJ2-3有一厚为20mm 的平板墙，导热系数为1.3)./(K m W 。
为使每平方米墙的热损失不超过1500W,在外表面上覆盖了一层导热系数为0.12)./(K m W 的保温材料。
已知复合壁两侧的温度分别为750℃及55℃，试确定此时保温层的厚度。
解：依据题意，有150012.03.1020.0557502221121≤+-=+-=δλδλδt t q ，解得：m 05375.02≥δ 2-4 一烘箱的炉门由两种保温材料A 及B 组成，且B A δδ2=(见附图)。
已知)./(1.0K m W A =λ,)./(06.0K m W B =λ,烘箱内空气温度4001=f t ℃，内壁面的总表面传热系数)./(501K m W h =。
传热学讲义—第二章
第二章 稳态导热本章重点：具备利用导热微分方程式建立不同边界条件下稳态导热问题的数学模型的能力第一节 通过平壁的导热1-1 第一类边界条件 研究的问题：（1）几何条件：设有一单层平壁，厚度为δ，其宽度、高度远大于其厚度（宽度、高度是厚度的10倍以上）。
这时可认为沿高度与宽度两个方向的温度变化率很小，温度只沿厚度方向发生变化。
（属一维导热问题）（2）物理条件：无内热源，材料的导热系数λ为常数。
（3） 边界条件：假设平壁两侧表面分别保持均匀稳定的温度1w t 和2w t ，21w w t t >。
（为第一类边界条件，同时说明过程是稳态的）求：平壁的温度分布及通过平壁的热流密度值。
方法1 导热微分方程：采用直角坐标系，这是一个常物性、无内热源、一维稳态导热问题（温度只在 x 方向变化）。
导热微分方程式为：022=dxtd （2-1）边界条件为：10w x t t == ， 2w x t t ==δ （2-2）对式（2-1）连续积分两次，得其通解： 21c x c t += （2-3）这里1c 、2c 为常数，由边界条件确定 ，解得：⎪⎩⎪⎨⎧=-=11221ww w t c t t c δ （2-4）最后得单层平壁内的温度分布为： x t t t t w w w δ211--= （2-5）由于δ 、1w t 、2w t 均为定值。
所以温度分布成线性关系，即温度分布曲线的斜率是常数（温度梯度），const t t dx dt w w =-=δ12 （2-6）热流密度为：)(21w w t t dx dt q -=-=δλλ2/m W （2-7） 若表面积为 A, 在此条件下 , 通过平壁的导热热流量则为 :t A qA ∆==Φδλ W （2-8）考虑导热系数随温度变化的情况：对于导热系数随温度线形变化，即)1(0bt +=λλ，此时导热微分方程为：0=⎪⎭⎫⎝⎛dx dt dx d λ 解这个方程，最后得：⎥⎦⎤⎢⎣⎡++-+⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+)(211212121121122w w w w w w t t b x t t bt t bt t δ 或 x tt t t b b t b t w w w w w δ12211)(21122-⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎭⎫ ⎝⎛+说明：壁内温度不再是直线规律，而是按曲线变化。
场协同原理传热
场协同原理传热传热是物质内部或不同物质之间热能传递的过程，它对于我们的生活和工业生产都具有重要的意义。
在传热的过程中，场协同原理扮演着重要的角色。
本文将介绍场协同原理传热的概念、应用和影响。
场协同原理传热是指通过场的协同作用，促进热能的传递。
在热传导、辐射和对流等传热过程中，场协同原理起到了关键的作用。
首先，场协同原理在热传导中发挥了重要的作用。
热传导是指通过物质内部分子之间的碰撞，将热能从高温区域传递到低温区域的过程。
在传热的过程中，场协同原理能够加速分子之间的碰撞，从而增强热传导的效果。
通过增强分子之间的碰撞频率和能量传递，场协同原理能够提高物体内部的热传导速率，加快热能的传递。
其次，场协同原理在辐射传热中也起到了重要的作用。
辐射传热是指物体通过热辐射的方式向外界传递热能。
辐射传热的速率与物体表面的辐射能力和温度的四次方成正比。
场协同原理能够通过改变物体表面的辐射能力，提高热辐射的效果。
例如，利用特殊表面涂层可以增加物体的辐射能力，从而提高辐射传热的速率。
此外，场协同原理在对流传热中也起到了重要的作用。
对流传热是指通过流体的流动将热能从一个地方传递到另一个地方的过程。
在对流传热中，流体流动形成的湍流可以增强热传递效果。
场协同原理可以通过改变流体流动的方式，增加湍流的程度，从而提高对流传热速率。
通过场协同原理传热，可以达到以下几个效果。
首先，提高传热效率。
通过改善传热介质的性质和流动状态，可以提高传热效率，减少能量的损失。
其次，实现能源节约。
传热是众多工业生产过程中不可或缺的环节，通过场协同原理传热，可以减少能源的消耗，实现能源的节约。
最后，改善环境质量。
传热是导致环境污染和能源浪费的主要原因之一，通过场协同原理传热，可以减少热能的损失和环境污染，提高环境质量。
综上所述，场协同原理传热具有重要的意义和应用。
在热传导、辐射和对流等传热过程中，通过场协同的作用，可以提高传热效率，实现能源节约和改善环境质量。
第2章场协同
强化传热技术
2016/1/8
1）交叉缩放椭圆截面管
中国 南京
• 清华大学孟继安采用周期性改变椭圆截面放置， 从而改变管内流场。相邻2个椭圆管的长轴（短轴） 相互垂直，交接处形成2个方向交替收缩和扩张。
能源与环境学院
强化传热技术
2016/1/8
2）纤毛肋
中国 南京
• 它不是为了增加传热面积，也不是为了增加湍流度。由高 导热组成，金属丝与管径相比很细，与管壁接触好的称为 纤毛肋，如不完全接触的则称为纤毛状插入物。很稀疏地 布置在管内，填充率仅为0.5%~1.0%。 • 其主要作用是使流体的径向温度均匀化，改善协同。在同 功耗条件下，换热强化可达200%以上（Re<2000）。
– 壁面与中心流体的混合 – 边界层减薄 – 二次流、湍流
有些强化传热技术的机 制不能解释或解释不清
• 普遍存在的问题：传热获得强化的同时，阻力也相应 增大。
能源与环境学院
强化传热技术
2016/1/8
中国 南京
• 新的强化传热技术（第三代/第四代）
– 三维肋 – 三维粗糙元 – 纵向涡发生器 – 复合强化等
3）平行平板间对流换热（反面例子）
中国 南京
• 平行平板间对 流换热示意图
a.入口处速 度剖面均匀
b.上部被加热, 下部被冷却
c.温度剖面趋 于线性分布
速度充分发展后，流线是 平行于平板的，即流线与 等温线平行，通道内的速 度矢量与温度梯度矢量的 夹角为90°。 式(4) 积分 为零，温度线性分布
– 提高Re数 – 提高Pr数 – 增加无因次积分值。 1 I U T dy f ( Re x , Pr) (8) 0 • 其物理意义是x处热边界层内的无因次热源强度的总和 • 增大被积函数的数值，就能增加I值 • 新途径：当β<90°时，减小速度矢量和热流矢量的夹角。
基于场协同原理的强化传热新视角
基于场协同原理的强化传热新视角1. 引言1.1 背景介绍传热是工程领域中一个重要的问题，涉及到能源利用效率的提高、工艺性能的优化等方面。
强化传热技术是改善传热效果的一种重要手段，通过增强传热过程中的传热系数，提高传热效率。
由于传统强化传热技术的局限性，传热效果仍有待进一步提升。
基于场协同原理的强化传热新视角在传热领域引起了广泛关注。
场协同原理指的是通过改变流动场和温度场的耦合关系来优化传热效果，实现对传热过程的精细控制。
这一新视角为传热研究提供了全新的思路和方法。
在当前全球节能减排的背景下，开展基于场协同原理的强化传热研究具有重要意义。
通过利用场协同原理，可以有效提高传热效率，减少能源消耗，为实现可持续发展目标做出贡献。
研究基于场协同原理的强化传热具有重要的实际意义和深远影响。
1.2 研究意义强化传热一直是传热领域的研究热点之一，基于场协同原理的强化传热新视角为这一领域的研究提供了全新的方向和思路。
通过深入探究场协同原理与传热领域的结合，可以更好地理解传热过程中涉及的复杂场的相互作用机理，提高传热效率，拓宽传热领域的研究深度和广度。
基于场协同原理的强化传热研究具有重要的理论意义和应用价值。
在理论上，通过对场协同原理的探究，可以揭示传热机制中的一些微观细节和规律，为传热理论提供新的理论基础，推动传热领域的发展。
在应用上，基于场协同原理的强化传热技术可以应用于各种工业领域，提高传热设备的传热效率，降低能源消耗，减少环境污染，具有广阔的市场前景和经济效益。
开展基于场协同原理的强化传热研究具有重要的研究意义和社会意义。
通过深入研究场协同原理与传热的结合，可以为传热领域的发展注入新的活力，促进传热技术的不断创新和进步，为提高能源利用效率和环境保护作出更大的贡献。
【研究意义完】1.3 现有问题在传统传热研究中，存在着一些现有问题亟待解决。
传统传热理论往往无法很好地描述一些复杂场景下的传热现象，比如高速流动状态下的传热问题或者非均匀介质中的传热情况。
基于场协同原理的强化传热新视角
基于场协同原理的强化传热新视角传热是工程领域经常遇到的一个问题，而传热理论的研究一直是传热学领域的热点。
场协同原理是一种基于热学和电学场协同作用的新理论，可以为传热研究提供新的视角。
本文将介绍基于场协同原理的强化传热新视角。
一、场协同原理简介场协同原理是指，在一定条件下，不同场之间发生作用，合力导致物体发生位移或能量交换的机制。
场协同原理包括电学、热学、机械学、声学、光学等多个方面的协同作用。
其中，热学场协同作用是指热、质量和动量的相互作用。
在传热过程中，热学场的变化会导致传热过程的变化。
基于场协同原理，可以探索传热过程中的多个场之间的协同作用，进而实现传热效果的优化。
下面介绍两种基于场协同原理的强化传热新视角。
（一）电热协同电热协同是指电场和热场之间的协同作用。
在传热过程中，当物体表面存在电场时，电场与物体表面的热场相互作用，形成电热协同作用。
电场产生的电子、离子等被加速，形成高速运动流。
这些高速的带电粒子与热发射的粒子相互碰撞，形成离子化和电子-离子复合反应。
这些反应释放出大量的热能，并在热场中产生较强的环境效应，从而加速传热和提高传热效率。
磁场在物体表面形成涡流，产生热能，热量可传递到物体内部，从而加速传热和提高传热效率。
此外，磁场还可以改变物体表面的形态和结构，形成新的表面能量，进一步促进传热。
三、总结场协同原理为传热研究提供了新的视角。
通过研究不同场之间的协同作用，可以实现传热过程的优化和强化。
研究表明，电热协同和磁热协同对于传热效率的提高有着显著的作用。
因此，在传热研究中，探究不同场之间的协同作用，可以为传热技术的创新和发展提供新的方向和思路。
场协同理论(沈航)
场协同原理---------------传热学学院：航空航天工程学部专业：热能与动力工程班级：04040203学号: *************姓名：**一．场协同原理为了分析流体流动过程, 降低流动阻力, 提出了流动速度与速度梯度在整个流动区域内协同的概念, 认为流体在流动过程中所受的阻力不仅受流动速度和速度梯度的影响, 同时也取决于它们之间的协同程度. 在此基础上, 提出了流体流动过程中的最小机械能耗散原理, 认为在整个流动区域内, 流动速度与速度梯度的协同程度越低, 流体流动过程中的黏性耗散越小, 流体阻力也越小. 同时, 根据最小机械能耗散原理, 在一定约束条件下对黏性耗散函数求极值, 获得了流体流动场协同方程, 求解场协同方程获得了最佳流场, 使流体在流动过程中的黏性耗散取最小值, 流动阻力最低. 最后,以并联管路的流量分配为例, 根据最小机械能耗散原理对速度分配器进行了优化设计, 降低流体在并联管路中的流动阻力.二．场协同原理的适用性从边界层（抛物型）流动推广至回流（椭圆型）流动；从层流流动推广到湍流流动；从稳态流动推广到一维瞬态流动；从单股流流动推广至两股流换热器。
三强化换热器传热性能研究的重要性由于传热强化技术能够提高各种换热设备的效率、降低其质量和体积, 所以一直受到科技界和工业界的重视。
20 世纪70 年代初出现的世界性能源危机, 使传热强化技术获得了快速发展。
到了90 年代初, 每年发表的有关传热强化的文献成倍地增长[ 1- 3] 。
这是因为换热器在国民生产各部门具有举足轻重的地位, 尤其在制冷空调领域更是重中之重。
根据传热的基本公式Q = K F$t , 换热量Q的增加可通过提高传热系数K 、扩展传热面积F和加大传热温差$t 来实现[ 4] 。
围绕上述 3 条增强传热的基本途径而采取的一系列技术措施即形成增强传热的方法[ 5- 6] : 1 改变流体的流动情况;o 改变流体物性; 改变换热表面情况。
基于场协同原理的强化传热新视角
基于场协同原理的强化传热新视角摘要：分析了基于平板层流边界层能量方程而得出的对流换热场协同理论的局限性。
从流体微元的能量守恒原理出发，充分的论述了对于同种流体强化其换热的有效途径就是强化对流，得出更为通用的速度场与热流场的强化传热协同理论，拓展了流体对流换热的场协同理论的适用范围。
关键词：强化传热，场协同原理，对流换热1 引言传热学这一门学科是在18世纪30年代英国开始的工业革命使生产力空前发展的条件下发展起来的。
自从传热学形成独立的学科以来，强化传热问题始终是人们关心的重要课题。
特别是上世纪世纪50年代以后，石油危机的爆发，对世界经济造成巨大影响，国际舆论开始关注世界“能源危机”问题，使得各国学者对强化传热的研究热情达到前所未有的高度。
相关文献发表量大增，产生了一大批高效、实用的强化传热技术，应用于社会生产实践中，产生了巨大的经济效益和良好的社会效应。
1998年，我国学者过增元在研究对流换热时，从边界层能量方程出发提出场协同原理，从流场和温度场相互配合的角度重新审视对流换热的物理机制，使得人们对强化传热有了新的认识。
2 对流换热的机理分析2.1 场协同理论简介场协同理论的完整表述为：“对流换热的性能不仅取决于流体的速度和物性以及流体与固壁的温差，而且还取决于流体速度场与流体热流场间协同的程度。
在相同的速度和温度边界条件下，它们的协同程度愈好，则换热强度就愈高”。
对于二维边界层流，δt是热边界层的厚度。
式（3）表明，热源项在积分域内的总和（即源总强度）就等于壁面热流密度，也就是说只要设法提高总源强度就能强化传热，反之则能削弱换热，这被称为源强化。
对于流体加热固壁，热源的存在使换热强化，热汇的存在使换热减弱，而当冷却固壁时则相反。
从（4）和（6）式可以看出，改变流速、温差、流体物性或者改变Re数和Pr数就可以控制对流换热的强度，然而从矢量点积中可以看到，速度矢量和温度梯度，或者说速度矢量和热流矢量的夹角β对热源的大小（即对流换热的强度）起着很重要的作用。
场协同原理(传热)
传热学作业---《场协同原理》航空航天工程学部04040203班2010040402084蔡莉2013年5月31日场协同原理04040203班2010040402084蔡莉一、内容该原理认为，在速度场、温度梯度分布一定的条件下，二者之间的夹角(场协同角)对对流传热强度有重要影响，夹角越小，传热强度愈高。
⏹场协同概念：流动当量热源不仅取决于速度场、热流场、夹角场的绝对值，还取决于这三个标量值的相互搭配。
对流换热中速度场与热流场的配合能使无因次流动当量热源强度提高，从而强化传热，此时称速度场与热流场协同较好。
理论研究表明,流体与壁面之间的换热率与速度场和温度梯度场(热流场)的协同程度有着密切关系。
当换热系统中的速度场和温度梯度场达到充分协同时,换热就达到最优,流体流动所需功耗与其换热率的投入产出比就会达到最佳。
根据速度场和温度梯度场的协同程度,表征对流换热强度的准则数Nusselt数存在着上限和下限,分别是Nu=Re•Pr和Nu=0,一般换热结构的换热率均处在此上、下限之间.该理论被称为场协同理论,它的建立无疑对强化传热技术的发展有重要促进作用。
强化能量的传递与转换过程是人们所关注的重要课题, 几十年来人们进行了大量的理论与实验研究, 取得了很大的进展并获得实际的应用。
然而, 在研究其强化机制方面一直缺乏统一的理论。
例如, 在研究强化对流热传输时, 无论是理论分析、实验研究还是数值计算都把注意力集中于讨论和求得对流换热系数h 和反映对流换热强度的无量纲数Nu。
过增元等[2][3]从场协同的观点分析了对流换热的机制, 提出了场协同原理, 指出换热强度的大小不仅取决于温度梯度、流体的速度和物性,还取决于速度场与热流场的协同程度。
⏹对流换热的物理机制（1）对流换热从本质上来说是具有内热源的导热，流体的运动起着当量热源的作用。
（2）对流换热的强度取决于当量热源的强度，它不仅取决于流体与固壁的温差、流动速度和流体的热物理性质和输运性质，而且还取决于流体速度矢量与热流矢量的夹角。
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• 将二维热边界问题式(2a)中的左边对流项改写为 矢量形式 速度矢量 T t ,x qw ( x) (4) 0 cp U T dy - y w
• 引入无因次变量
U T U , T , U (T - Tw )/ t
y
y
t
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2.5发展强化传热的新方法和新技术
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• 对流换热中流场与温度场是耦合的，改善 场的协同虽然不容易，但还是有可能的。 三个方面：
– 改变热边界条件。在边界热流一定时，使边界 热流沿流向增加的分布就能强化传热。在温度 边界条件的情况下，平均温度相同时（流体被 加热时，如能布置壁温沿流向升高时，传热就 能强化。 – 改变速度分布。有意识地通过速度边界条件的 改变使速度和热流矢量的夹角减小，或者使三 个标量场的配合更好，从而强化传热。 – 特殊的肋或插入物。
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7）流体纵掠二维顺排平行板束的湍流换热
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• L1=L2，H/L1=1 ， d/L1=0.2~0.4,
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8）流体纵掠二维叉排平行板束的湍流换热
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• 几何尺度与顺排 板束相同
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• 传统解释：
– 等热流边界条件时，管内流体在壁面处的温度 梯度更大些。
• 场协同理论的解释：
– 将数值计算的两者之等温线比较：
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• 充分发展流的流线 均平行于轴线。热 流方向垂直于等温 线，并朝向低温方 向。 • 等壁温：壁面处速 度矢量与热流矢量 的夹角β为90°。 • 等热流：壁面处速 度矢量与热流矢量 的夹角β小于90°。 • 夹角微小的变化就 可形成Nu数较大的 差异。
第二章 场协同原理及应用 field synergy principle 1.1 概述
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场协同原理为后面介绍的各种强化传热方法提供理论基 础。 逆流 • 强化传热的着眼点 Q KFt m – 传热系数K
– 传热面积F – 传热温差Δtm
狭义
翅片,紧凑
• 传统理论解释强化传热的物理机制：
T ( x, y) -q (1b) y y
q w ( x) (2a)
w
• 对流换热可以比拟为具有内热源的导热问题， 两边 cp u x v y dy - y
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3）二维顺排板束与平板通道的比较,层流
• L1=L2=L，H1=H2=2/3, H1/L1=0.4 • 等壁温边界条件， Pr=0.7
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4）二维叉排板束与平板通道的比较,层流
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• H=L，t=H/3
Nu
0.5 c Re x
0
0.332
Pr
0.33
(23)
vw U
Re
-0.45
0.945
-0.25
0.523
+0.25
0.165
+0.375
0. 094
c
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吸出主流
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吹进主流
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传统解释：当流体被抽吸 时，温度边界层变薄，从 而壁面温度梯度增大。 场协同解释：当流体被抽 吸时，两矢量的夹角β减 小，相当于热源强度增加， 换热强化；而当壁面喷吹 流体时，使β增大，且壁 面附近处β＞90°,此时流 动起热汇作用,换热减弱。
– 提高Re数 – 提高Pr数 – 增加无因次积分值。 1 I U T dy f ( Re x , Pr) (8) 0 • 其物理意义是x处热边界层内的无因次热源强度的总和 • 增大被积函数的数值，就能增加I值 • 新途径：当β<90°时，减小速度矢量和热流矢量的夹角。
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• 又如冲击射流为什么能强化换热？ • 沿流向的正压力梯度为何能提高对流换热系 数？ • 等等都可从速度与热流矢量夹角减小找到原 因。 • 这样对于对流换热的物理机制和传热强化的 原因就有更深入和本质的认识
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• 需要有基于新概念的创新性强化传热技术 • 场协同原理能统一认识现有各种对流换热 强化的物理本质，指导发展新的传热强化 技术（高效低阻）。
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2.2 对流传热的物理机制
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• 传统观点：由于流体的宏观运动能携带热量，所以 对流换热的热量传递速率高于纯导热时的传递速率。 • 以下从另一角度审视。
– 速度矢量与温度梯度矢量的夹角余弦值尽可能大； – 流体速度剖面和湿度剖面尽可能均匀； – 尽可能使三个标量场中的大值与大值搭配，也就是说要 使三个标量场的大值尽可能同时出现在整个场中某些域 上。
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• 定义对流换热的场协 Nu Fc U T dy (14) 同数 Re Pr • 鉴于无因次积分中 cosβ总是小于1，当 Fc=1时速度场与热流 场完全协同。这是对 湍流管内流动 流换热强度的上限。 • 实际情况低了1~2个数 量级，说明有很大潜 力。 平板湍流边界层 • Fc随着Re增大而减小。平板层流边界层
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9）内环肋管道中的湍流换热
• 肋高比H/D=0.1，0.2； • 肋距比P/H=15、10、8等； • W= H
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10）翅片作用的分析
• 翅片管
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, T Tw
(5)
• 整理得
Re x Pr
1 U 0
T dy Nu x
(6)
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• 被积因子
U T U T cos
(7)
• 其中β是速度矢量与温度梯度矢量（热流矢量）的夹角。 • 由式(6)可见，换热强化有3方面的途径：
热边界层厚度
0
t ,x
T x, y dy - q y
q w ( x) (2b)
w
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希望右边大， 就得左边大！ 2016/10/14
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• 同理可得三维边界层问题的对流换热能量方程 空气冷却器中 有放热化学反应的 T T T T T T cp流体加热冷壁时， q 喷水蒸发时， u x v y w z x x y y z z 能强化换热。 对流换热能强化。 • 移项后积分得
0
t,x
T T T T T T c u v w q d y p x y z x x z z y
– 壁面与中心流体的混合 – 边界层减薄 – 二次流、湍流
有些强化传热技术的机 制不能解释或解释不清
• 普遍存在的问题：传热获得强化的同时，阻力也相应 增大。
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• 新的强化传热技术（第三代/第四代）
– 三维肋 – 三维粗糙元 – 纵向涡发生器 – 复合强化等
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2)壁面可穿透的平板边界层（等温壁面有垂直于主流 方向的流体进入或逸出）。
– 当壁面处流体吹进主流时，阻力和换热系数减小； – 当流体从壁面处被吸出时，阻力和换热系数将增大。
• 壁面处的垂直方向流速vw与主流U相比很小时有如下 分析解（相似解）
T ( x,y,z)
cos ( x,y,z )
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2.3.2 场协同数
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由式(6)可见，在流速和流体的物理性质给定的条件 下，边界上的热流取决于流动当量热源强度，或者 在Re数、Pr数一定时，Nu数取决于无因次流动当 量热源。 • 取决于速度场、热流场本身，以及它们之间的夹角。 • 式(6)中的积分值高则速度场与热流场协同较好。
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5）二维波纹型通道与平直通道对比,层流
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• Rm/S=0.6, L/S=1.84, H/S=0.6
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6)二维渐扩－渐缩通道与平板通道的对比,层流
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• Hmax/Hmin=2, L/Hmin=3
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1）交叉缩放椭圆截面管
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• 清华大学孟继安采用周期性改变椭圆截面放置， 从而改变管内流场。相邻2个椭圆管的长轴（短轴） 相互垂直，交接处形成2个方向交替收缩和扩张。
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2）纤毛肋
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• 它不是为了增加传热面积，也不是为了增加湍流度。由高 导热组成，金属丝与管径相比很细，与管壁接触好的称为 纤毛肋，如不完全接触的则称为纤毛状插入物。很稀疏地 布置在管内，填充率仅为0.5%~1.0%。 • 其主要作用是使流体的径向温度均匀化，改善协同。在同 功耗条件下，换热强化可达200%以上（Re<2000）。