淺議熱力傳熱中的摩擦阻力傳熱

1、<p>　　淺議熱力傳熱中的摩擦阻力傳熱</p><p>　　摘 要：和外界不進(jìn)行熱交換的熱力系統(tǒng)稱為絕熱系統(tǒng)。和外界既無能量交換又無物質(zhì)交換的系統(tǒng)稱為孤立系統(tǒng)。和外界只交換熱量和一種形式的準(zhǔn)靜態(tài)功的系統(tǒng)稱為簡單系統(tǒng)。在簡單系統(tǒng)中，表面現(xiàn)象、重力、電和磁的效應(yīng)都不呈現(xiàn)出來。絕對的絕熱系統(tǒng)和孤立系統(tǒng)是不存在的。孤立系統(tǒng)一定是閉口的和絕熱的，但閉口系統(tǒng)或絕熱系統(tǒng)不一定都是孤立的。熱力系統(tǒng)在某一瞬間所處的宏觀

2、物理狀況稱為系統(tǒng)的狀態(tài)。狀態(tài)的概念要通過系統(tǒng)的變量來表征。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：熱力 傳熱 摩擦阻力 </p><p>　　一、摩擦阻力與傳熱 </p><p>　　無論是靜摩擦力，還是滑動摩擦力，都可以做正功，也可以做負(fù)功，還可以不做功。但是，并不是所有摩擦力的功都能將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能而產(chǎn)生熱量。靜摩擦力的功只起轉(zhuǎn)移機(jī)械能的作用，不會產(chǎn)生熱量。 靜摩擦力

3、產(chǎn)生在兩個相對靜止但有相對運(yùn)動趨勢的物體之間。顯然這樣的兩個物體必然具有相同的速度、加速度、位移等?；瑒幽Σ亮Φ墓σ环矫?zhèn)鬟f機(jī)械能，同時另一方面將部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，從而產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致相互摩擦的物體發(fā)熱。 </p><p>　　我們已經(jīng)看到，溫度和流場有關(guān)系?，F(xiàn)在，摩擦阻力可直接與熱傳遞相關(guān)。在墻壁上的剪切應(yīng)力可能用一個摩擦系數(shù)來表示，被稱為雷諾爾系數(shù)，表示流體之間的摩擦關(guān)系和在平板上的層流的熱傳遞。傳熱系數(shù)因

4、此可以通過摩擦阻力的測量來確定，在其中沒有熱傳遞是前提條件。事實(shí)證明，也可以應(yīng)用到紊流上的平板流動。它并不適用于層流管流。在一般情況下，在傳熱流體的摩擦類推中控制方程是必要的，其結(jié)果的新的應(yīng)用并不總是取決于方程的簡單形式。有關(guān)這一問題的詳細(xì)解釋需要進(jìn)一步探討。在這一點(diǎn)上，采用簡單的方法來擴(kuò)大我們所了解的對流概念，傳熱和粘性傳輸過程同時在微觀和宏觀層面有關(guān)。 </p><p>　　在邊界層湍流核心的粘度可高達(dá)經(jīng)驗(yàn)層

5、的分子值的100倍，渦流擴(kuò)散熱較分子擴(kuò)散系數(shù)也增大。考慮到在整個邊界普朗特數(shù)的影響，對測量結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均是必要的，而且事實(shí)證明，使用加權(quán)平均的效果非常好。因此，我們將立足我們的計(jì)算結(jié)果，將我們需要的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比照，為湍流邊界層層流的計(jì)算提供條件。施利希廷進(jìn)行了紊流平板摩擦系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測量。我們目前的調(diào)查結(jié)果是在湍流傳熱與流體摩擦傳熱的計(jì)算中采用類比的方法。當(dāng)?shù)乇砻婺Σ料禂?shù)通過公式式得到雷諾數(shù)。在高雷諾數(shù)情況下舒爾茨以自由流溫度評估所有屬

6、性。對于氣體的粘度比下降和性能進(jìn)行薄膜溫度的評估。 </p><p>　　二、湍流邊界層傳熱 </p><p>　　在層流邊界層的處理中，只要粘性耗散項(xiàng)可以忽略不計(jì)，則能量方程就有著與動量方程相同的數(shù)學(xué)形式。這時，能量方程的解可直接引用動量方程的解。 在湍流邊界層的處理中，我們已經(jīng)有了動量方程的解。仿層流邊界層中能量方程的解法，我們似乎也可以走直接引用湍流動量方程的解的解決途徑。 與湍流動

7、量方程一樣，湍流能量方程中也有著類似的“封閉”問題。我們可以提出一種模型，以解決湍流能量方程存在著的“封閉”問題的過程中；我們也可以直接引用湍流動量方程解決封閉問題的結(jié)論，考察湍流能量方程的類似結(jié)論與湍流動量結(jié)論之間的關(guān)系。雷諾比擬就屬于后一種處理方法。 </p><p>　　考慮一個紊流邊界層的一部分薄區(qū)在板表面附近具有層狀字符，而粘性作用和傳熱取放置在像那些層流狀態(tài)下其分子粘性作用和熱傳導(dǎo)仍然是重要的。這個區(qū)

8、域被稱為緩沖層。流動狀態(tài)是完全湍流，并且主動量和熱量交換湍流區(qū)我們具有一定的渦粘性和渦流熱導(dǎo)率。這些渦流特性可能是分子的值的10至20倍大。紊流熱傳遞的物理機(jī)制是非常相似的，在層流；的主要區(qū)別在于，渦流特性不具有普通的熱導(dǎo)率和粘度。分析的主要困難是，這些渦流特性在邊界層發(fā)生變化，具體變化可以由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定。這是重要的一點(diǎn)。所有紊流的分析最終必須依靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因?yàn)闆]有完全充分的理論來預(yù)測湍流的行為。如果一個人觀察瞬時宏觀速度的紊流系統(tǒng)，

9、作為測量值這是不正確的，瞬時速度因此是波動的，受到湍流剪切應(yīng)力的影響。 </p><p>　　在壁面附近，熱量傳遞和動量傳遞之間關(guān)于相似的全部概念，當(dāng)有壓力梯度時就失靈了，也就是說，這時的雷諾比擬關(guān)系就不復(fù)存在。正常分析分子的傳熱問題的方法之一是引入平均自由方程，或采用粒子之間進(jìn)行碰撞的平均距離。普朗特引入了一個類似的概念來描述湍流現(xiàn)象。普朗特混合長度是平均距離，平均湍流流體在一個方向上垂直于平均流動。兩個壁面定

10、律本身，對于整個邊界層是兩個合理的近似――壁面定律顯然不能推廣到整個邊界層，但傳熱問題卻必須涉及到整個邊界層。如果壁是多孔的，并且有流體“吹出”邊界層，或從邊界層中“抽吸”流體。采用散逸這個名稱，作為在表面有吹出、吸入、噴射、表面處有質(zhì)量傳遞等情況的相互可替換的一般性描述。 散逸改變了湍流邊界層的分布，它有兩種主要的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，即散逸冷卻與傳質(zhì)。通過多孔表面的正散逸或吹出，提供對固體表面一種很有效的冷卻方法，以起到保護(hù)固體表面免受熾熱

11、主流流體的作用。散逸的流體，不僅通過表面吸收熱能，而且散逸具有顯著降低傳熱速率的作用。 </p><p>　　三、湍流邊界層厚度 </p><p>　　實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)表明，在湍流的速度分布邊界層的層流底層以外，采用普朗特混合長度解決方案，特別注意到：對于動量方程，粘性底層的消失，意味著切應(yīng)力向壁面的傳遞，必須依靠別的不同的機(jī)制，之前的公式不再有效。在湍流邊界層中，除因?qū)恿髦g相對位移而引起的

12、摩擦切應(yīng)力 之外，還由于流體質(zhì)點(diǎn)的不規(guī)則運(yùn)動在層流之間必然要引起的傳遞過程。以動量傳遞為例，這種由于湍流混合而引起的切應(yīng)力稱為湍流切應(yīng)力。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 史里希廷H著，邊界層理論[M]，北京：科學(xué)出版社，2008 </p><p>　　[2] 陳濤，張小國.化工傳遞過程基礎(chǔ)[M]，