强化对流传热的夹层对流理论研究

发布时间：2020-06-14 11:30

【摘要】：在制冷、航天航空、电子等领域,随着设备的运作,会带来温度升高、热量累积等现象,如果热量不能除去,会使得设备的使用寿命缩短,影响设备的使用效率,因此,强化换热一直是研究的关键性因素。如今,对于强化对流传热的研究已经有了很大的进展。从自然对流到强迫对流传热,从气体对流到液体对流传热,继而有了沸腾和凝结这两个相变对流传热现象,在凝结换热里又分出了膜状凝结和珠状凝结。随着强化对流传热方式的不断进步,液膜冷却、喷雾冷却等方式投入使用,使得各个工程领域的设备工作效率和使用寿命都得到了提高。在这些对流现象中,膜状和珠状传热可获得更大的传热系数,这是不争的实验事实,但缺乏完善的理论支持。本文运用微分方法,从平均对流传热系数出发,考虑强化传热的手段,建立了与表面传热相关的夹层对流传热理论,丰富了对流传热的理论体系,也为阐释膜状传热和珠状传热提供了理论依据。首先,本文运用全微分找到强化对流传热的方法,从偏微分入手对各项强化传热手段一一分析,进而给出本文的研究切入点和研究方法。提出夹层对流的概念,将夹流传热与已有的强化对流传热现象联系起来。在对流传热理论基础上构建夹流传热理论,并联系实际对流现象给出夹层对流理论的提出意义,以及该理论对于强化传热手段的解释。其次,针对膜状夹层对流传热进行分析。运用夹层对流理论解释膜状夹层对流传热的强化传热作用,发现液膜的传热效果要好于气膜的传热效果。进而对膜状夹流传热中的热阻现象进行理论分析,发现膜状夹层流体的温度影响着热阻,并指出随着夹流的发展,热阻只会越来越大。引出膜状传热向珠状传热转变的机理。然后,针对珠状夹层对流传热进行分析。在夹流理论的基础上,给出膜状夹层到珠状夹层转变的数学模型,并由此给出珠状夹层对流传热优于膜状夹层对流传热的定量解释,得出结论:珠状夹流传热速率可以达到膜状夹流传热速率的十倍以上。珠状夹流传热的优越性在层流条件下要比在湍流条件下体现得更明显。结合水蒸气凝结案例,运用本章的珠状夹流模型分析发现,随着珠状夹流传热中液珠数量增加、半径减小,珠状夹流传热速率会增大。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK124
【图文】：

膜状凝结,水蒸气凝结,示意图,蒸气

１）膜状凝结逡逑膜状凝结是指蒸气与低于其饱和温度的固体表面接触时，凝结液体能很好地逡逑润湿壁面，在固体表面上铺展成膜。从图１．５中我们可以看到，水蒸气在壁面上逡逑凝结换热时，有三种形态的物质：饱和蒸汽、冷凝液膜（冷凝液珠）、固体壁面。逡逑在一般情况下，在液体－蒸气的交界面上存在着剪切力，导致蒸气以及液膜逡逑中出现速度梯度。然而，研宄者们在对垂直板上的层流膜状凝结进行传热分析时，逡逑主要还是利用努塞尔提出的一些假定来获得结果。逡逑这些假定包括：（１）假定液膜为层流，且物性参数恒定。（２）假定气体为纯逡逑蒸气，并处于均匀温度：饱和温度。在此假定条件下，蒸气中没有温度梯度，因逡逑此对蒸气－液体交界面的传热仅仅是依靠交界面上的凝结，没有来自蒸气的导热。逡逑（３）假定忽略蒸气－液体交界面上的切应力，在此假定条件下也就忽略了蒸气的逡逑速度边界层和热边界层。（４）假定忽略凝结液膜中由对流引起的动量和能量传递

水膜,桌面

即南方的对流传热较之北方，在人的皮肤表面多了一层附着的水膜。附着水逡逑膜后空气与皮肤表面的传热现象就是夹流传热现象。逡逑如图２．１所示，有一杯水洒在了桌面上。若在水膜上方用扇子煽动空气，使逡逑空气流动起来，此时，空气流动带动水膜流动，那么水膜与桌面之间的热交换过逡逑程就存在对流传热。但我们不可忽略的是，在水膜层上方存在一层空气流动层，逡逑空气流动层与水膜层之间的传热是怎样的情况呢？气流在整个热交换过程中又逡逑会有怎样的影响呢？因此，本文引入了夹流传热的概念。逡逑Ｗ邋．．．．．逡逑．．．．逦－．．ｔ邋？逡逑图２．１桌面水膜图逡逑在夹流传热中，上层流体流动带动夹层流体流动。在以固体表面作为参考时，逡逑由于温度差的存在，流动的夹层流体与固体表面之间的热量交换为对流传热，且逡逑－１５邋－逡逑

【参考文献】