熱邊界層應(yīng)用

Pr表示普朗特準則，

上式確定了常物性流體外掠常壁溫平板層流換熱時熱邊界層的厚度。

指研究對流換熱問題時，所設(shè)想的流體的溫度變化全部集中于其中的一流體薄層。是邊界層理論中的基本概念之一。如溫度為t_∞的流體縱向掠過壁面溫度為t_w(t_∞)的無限寬平板時，流體與平板之間將進行對流換熱; 此時除非流體的導熱系數(shù)很大(如液態(tài)金屬)，否則流體的溫度也和速度一樣，只在貼近板面的一薄層中才有顯著的變化，因而形成了 “溫度邊界層”。實驗表明，其厚度δ_t總是沿流動方向隨著板長x值的增加而逐漸增大(見附圖)。若以δ表示速度邊界層的厚度，則δ_t與δ之間的大小關(guān)系取決于流體的物理性質(zhì)，即取決于普朗特準則Pr的大小。當Pr=1時， δ_t=δ;Pr<1時，δ_t>δ; Pr>1時， δ_t<δ。

對于層流熱邊界層，管內(nèi)的熱損失主要是導熱。對于紊流熱邊界層，管內(nèi)的熱損失主要是對流。熱邊界層管道的整個熱損失是比較小的，若保溫層絕熱良好，熱量損失就可以被保溫層隔絕。此外，采用管溝敷設(shè)形式既能對管道進行檢修，又能起到減小熱損失的效果。

利用溫度邊界層的概念?？墒箤α鲹Q熱溫度場和對流換熱系數(shù)的分析求解大為簡化。

流動邊界層和熱邊界層的狀況決定了邊界層內(nèi)的溫度分布和熱量傳遞過程。

對于層流，溫度呈多項式曲線弄分布，對于紊流則呈冪函數(shù)型分布（除液態(tài)金屬外），紊流區(qū)邊界層貼壁處的層流底層內(nèi)溫度梯度將明顯大于層流區(qū)。

在概述圖中，標繪了局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h_x沿平板的變化情況，從平板前緣開始，隨著層流邊界層增厚，h_x將較快的降低。當層流向紊流轉(zhuǎn)變后，因紊流傳遞作用增大，h_x將明顯高于層流轉(zhuǎn)變前，隨后，由于紊流邊界層厚度增加，h_x再呈緩慢下降之勢。將局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)沿全板長積分，可得全板平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h。 2100433B

本項研究將利用分析、數(shù)值以及實驗測量等方法研究耦合熱邊界層從定常層流向非定常周期性流動的演化以及相應(yīng)的傳熱。主要研究內(nèi)容為：基于完成不同控制參數(shù)下的實驗和數(shù)值模擬，分析和認識瞬態(tài)耦合熱邊界層內(nèi)流，外流及混合流的基本流動結(jié)構(gòu)；理解耦合熱邊界層不穩(wěn)定流動形成機制以及垂直壁兩側(cè)不穩(wěn)定流動的相互作用；研究耦合熱邊界層從定常層流到非定常周期性流動演化對控制參數(shù)的依賴，以期獲得臨界瑞利數(shù)與其它控制參數(shù)的定量關(guān)系；研究耦合熱邊界層內(nèi)流，外流及混合流的傳熱對流動控制參數(shù)的依賴關(guān)系。本項研究獲得的成果可以補充和擴展流動耦合效應(yīng)方面的流體力學知識和概念，并可進一步應(yīng)用到實際工業(yè)儀器設(shè)備的設(shè)計中，為其提供設(shè)計思路。

實驗觀察發(fā)現(xiàn)，在對流換熱條件下，主流與壁面之間存在溫度差。在壁面附近的一個薄層內(nèi)，流體溫度在壁面的法線方向上發(fā)生劇烈的變化；而在此薄層之外，流體的溫度梯度幾乎等于零。因此，可以將邊界層概念推廣到溫度場中。固體表面附近流體溫度發(fā)生劇烈變化的這一薄層稱為溫度邊界層（熱邊界層），其厚度記為δ。對于外掠平板的對流換熱，類似于速度邊界層得定義，傳熱學中一般也將達到來流過余溫度99%的流層處，定義為δ的外邊界。除液態(tài)金屬及高粘性的流體外，熱邊界層的厚度δ在數(shù)量級上是個與運動邊界層厚度δ相當?shù)男×?。于是對流換熱問題的溫度場也可以分為兩個區(qū)域：熱邊界區(qū)和主流區(qū)。在主流區(qū)，流體中溫度變化率可視為零，這樣就可把研究的熱量傳遞的區(qū)域集中到熱邊界層之內(nèi)。

控制壁面?zhèn)鳠嵝适窃S多工業(yè)設(shè)備和工程實踐的一項關(guān)鍵技術(shù)，而國內(nèi)外學術(shù)界對壁面兩側(cè)耦合熱流動等重要工程問題的研究依然薄弱。本項基金利用尺度分析，直接數(shù)值模擬以及實驗測量等方法開展了壁面一側(cè)和兩側(cè)耦合流動的研究。在該項基金的實施過程中，已在控制參數(shù)對熱邊界層對流以及傳熱影響研究上取得若干實質(zhì)進展。研究結(jié)果表明兩側(cè)耦合熱邊界層流動可從定常向非定常演化，且該演化過程與瑞利數(shù)和普朗特數(shù)等控制參數(shù)有關(guān)，得到了主要的流動和傳熱的定量依賴關(guān)系式。此外，也獲得了復(fù)雜幾何形狀壁面的一側(cè)熱對流的流動和傳熱的定量刻畫。以上的研究成果可補充現(xiàn)有流體力學知識的缺失，也為進一步的工程設(shè)計提供基礎(chǔ)性設(shè)計思路。研究成果的一部分已分別在國內(nèi)外重要的學術(shù)會議上進行了交流，并已發(fā)表多篇高水平期刊研究論文（10篇SCI和4篇EI期刊論文，見研究成果）。 現(xiàn)有的研究進展表明該項基金的研究目標和任務(wù)已順利完成。