无论是流动在工业厂房的冷凝板上的水，还是在供热制冷的管道中呼啸而过的空气，流体在平面上流动是现许多日常和工业生活中的重要过程。然而，一项新的研究显示，我们对这类过程的某些方面其实知之甚少，而与之相关的一些不够准确的信息，却被一代又一代地传授给了工科学生。
这项新研究对几十年来发表的关于流体流动的研究和分析进行了新的审视，发现在大多数热传递的本科教材中，这种流动都被描述成包含两个区域，区域之间带有一个突然转变，而实际上却应该是有三个不同区域的流动：过渡区也是一个漫长的转变，它与第一个和最后一个区域同样重要。
○ 加热或冷却表面的流体，在从平滑的层流到混乱的湍流之间存在一个过渡。一项新的研究显示了这个过渡区域对热流动和温度控制的重要性。| 图片来源：John Lienhard / MIT
这种差异与流体流动的两种不同方式之间的变化有关。当水或空气沿着一个平坦的固体平面流动时，就会有一层薄薄的边界层形成。这层边界层的最靠近表面的那部分在摩擦的作用下几乎保持不动，而在它之上的部分，越往上则流动得越快，直到抵达某个点它便能全速流动。这种在边界层内速度逐渐增长的分层流动被称为层流。但在更靠近下游的一端，流动会发生变化，分裂成混乱的旋涡，也就是众所周知的湍流。
边界层的性质决定了流体传递热量的能力，而这种能力正是许多冷却过程的关键，它在如高性能的计算机、海水淡化厂或发电厂冷凝器中都尤为重要。
在大学课程所教授的计算这种流动的特征的方法中，层流好像是突然转变为湍流的。但在新的研究中，麻省理工学院的John Lienhard教授通过仔细分析已公布的实验数据发现，这种方法中忽略了流动过程中的一个重要部分。他们将研究结果发布在了最新的《热传递期刊》上。
在新的研究中，Lienhard通过对热传递数据的检查，发现在层流和湍流之间存在一个重要的过渡区域。这个过渡区域对热流动的阻力会在其另外两个区域之间逐渐变化，而且这个过渡区域与在它之前的层流区一样长、一样独特。
这一发现具有潜在的应用意义，从设计海水淡化或者其他工业过程的热交换器，到理解喷气发动机中的空气流动等。
在过去的六七十年中，流体流动中的“突然转变”的概念已经在深深地扎根在了相关的教材中，但Lienhard注意到，事实上大多数从事这类工作的工程师都知道它的存在。现在，新研究中对这一转变过程的详细描述和量化，将有助于把理论和教学与实际工程实践相结合。
流体沿平面流动的基本公式，是理解所有更为复杂的流动情况的基础。可以说，它是一个起点，来理解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。
1921年，德国的一位名为Ernst Pohlhausen的研究人员提出了流体沿平面流动的理论。但即便如此，在实验室中进行的实验，通常并不符合该理论所假定的边界条件。因为在实验室中所用的平面的边缘可能是圆润的，或者它的温度是不均匀的，所以在20世纪40、50和60年代，研究人员经常会“调整”他们的数据，强行让数据与理论一致。在其他方面表现良好的数据与这个理论之间的差异，也导致了热传递文献中出现的激烈分歧。
早在1931年，英国航空部的研究人员就发现并部分解决了表面温度不均的问题。但他们无法完全解出自己推导出的方程，直到1949年才得以通过数字计算机来解决这些问题，而与此同时，专家之间的争论仍在继续。
在新研究中，Lienhard决定研究一直以来被教授的这些方程的实验基础，他用这些方程来绘制数据，以此让学生们了解到这些方程的有效性。他查阅了从1930年开始的实验文献，收集许多的数据，最终这些数据都清晰地表明：我们在课堂中所教授的内容都被过于简单化了。流体流动描述上的差异意味着热传递的计算有时是错误的。
现在，新的分析可以让工程师和学生们在非常广泛的流动条件和流体中精确地计算温度和热流动。
要预测层流与湍流区域之间的流动过渡区域的传热系数，一直是一个大的科学挑战。Lienhard对几十年来由不同研究人员记录的实验数据的梳理，为计算跨越了从层流到湍流的整个过渡区域的传热系数，提供了一个有效的方法。
参考来源：http://news.mit.edu/2020/how-fluids-heat-cool-surfaces-0428https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/124894
封面图来源：AnandKz / Pixabay
发表于 2020-5-4 01:08
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