对流传热优化的场协同理论.pdf
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2020年11月18日
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李志信、过增元编者的一本关于流传热优化的场协同概念和方法的书籍，对流传热优化的场协同理论从理论、技术和应用三方面系统讲述，可供能源、动力、航空航天、化工、石油、机械、电子等领域的科技人员参考，也可作为大专院校工程热物理、热能工程、空调、制冷等相关专业本科生和研究生的教材。
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内容简介
当今气候暖化和世界性的能源短缺，迫切要求发展可再生能源和提高能源利用效率。各种能源的利用中有80%需通过热量的传递和转化，因此传热过程特别是对流传热过程的强化与优化，对节能减排具有十分重要的意义。
与现有半经验性的传热强化理论与技术不同，《对流传热优化的场协同理论》从流场与温度场配合的角度阐明对流传热的物理机制，系统论述了对流传热的场协同强化与优化理论，它不仅能统一认识现有各种传热强化技术的物理本质，而且能开发系列的高效节能技术。《对流传热优化的场协同理论》汇集了作者多年的研究成果，第1章介绍对流传热的基础知识，第2、3章介绍对流传热场协同的基本概念、场协同方程及对流传热过程优化的煳耗散极值原理，第4、5章为基于场协同理论发展的高效节能传热元件和换热器优化的场协同理论，第6～8章分别介绍周期性脉冲对流传热、热磁对流传热以及对流传质过程的场协同分析。
《对流传热优化的场协同理论》从理论、技术和应用三方面系统介绍了对流传热优化的场协同概念和方法，可供能源、动力、航空航天、化工、石油、机械、电子等领域的科技人员参考，也可作为大专院校工程热物理、热能工程、空调、制冷等相关专业本科生和研究生的教材。
目录介绍
前言
主要符号
第1章对流传热基础知识
1.1热传导
1.1.1傅里叶导热定律
1.1.2热导率与导热机理
1.1.3导热问题的数学描述
1.1.4稳态导热
1.1.5非稳态导热
1.2对流传热
1.2.1牛顿冷却定律
1.2.2对流传热问题的控制方程组
1.2.3边界层型对流传热问题的控制方程组
1.2.4圆管内层流对流传热
1.2.5对流传热的准则关系式
1.2.6自然对流传热
1.3对流传热过程与热交换器
1.3.1传热过程
1.3.2热交换器的设计方法
1.4对流传热过程的强化与控制
1.5关于传热学的两点思考
1.5.1关于热阻概念的讨论
1.5.2传热学与热力学的差别
1.6小结
参考文献
第2章对流传热优化的场协同理论
2.1对流传热的物理机制
2.1.1对流传热是有流体运动时的导热
2.1.2对流传热控制和强化的途径
2.1.3对流传热的几个特殊例子
2.1.4对流传热的物理机制
2.2对流传热优化的场协同理论
2.2.1对流传热问题的场分析
2.2.2对流传热的场协同
2.3场协同理论的应用
2.3.1现有对流传热现象的分析和讨论
2.3.2发展系列的传热强化新方法和新技术
2.4换热器中的场协同理论
2.4.1换热器优化的场协同理论
2.4.2场协同理论在换热器优化中的应用
2.5小结
参考文献
第3章管内对流传热的场协同方程及其应用
3.1(火积)与(火积)耗散
3.1.1(火积)的定义及其物理意义
3.1.2(火积)的耗散
3.2(火积)耗散极值原理
3.3导热问题的优化
3.3.1体点散热问题
3.3.2导热优化的温度梯度均匀化原则
3.3.3体点问题的数值优化
3.4(火积)耗散极值原理与最小熵产原理的比较
3.4.1对称体点散热问题
3.4.2非对称体点散热问题
3.4.3熵产最小的热导率分布优化方程
3.4.4基于最小熵产原理和(火积)耗散极值原理的优化结果比较
3.5管内层流对流传热的场协同方程
3.6速度场优化的实例分析
3.6.1矩形腔内层流对流传热的最优速度场
3.6.2管内层流对流传热的最优速度场
3.7纵向涡对管内层流流阻和换热影响的分析
3.7.1纵向涡对管内层流流阻的影响
3.7.2纵向涡对管内层流换热的影响
3.8湍流对流传热的场协同方程
3.8.1湍流换热的场协同关系式
3.8.2湍流对流传热的场协同方程
3.8.3平行平板间湍流泊肃叶流换热的优化速度场
3.9微肋管强化湍流换热的机理分析
3.9.1微肋管简介
3.9.2微肋管的流动与换热性能
3.10小结
参考文献
第4章基于场协同理论的传热强化技术
4.1纵向涡传热强化技术简介
4.2交叉缩放椭圆换热管
4.2.1交叉缩放椭圆管简介
4.2.2交叉缩放椭圆换热管管内对流传热的数值分析
4.2.3交叉缩放椭圆换热管管内对流传热的实验
4.3不连续双斜向内肋管
4.3.1不连续双斜向内肋管简介
4.3.2不连续双斜向内肋管对流传热性能的数值计算
4.3.3不连续双斜向内肋管性能的实验结果
4.4交叉缩放椭圆管和不连续双斜内肋管的综合性能评价
4.4.1单相对流传热强化评价准则
4.4.2典型换热管换热和阻力的关联式
4.4.3各种强化管综合性能的评价与比较
4.5不连续交叉肋板片
4.5.1常用板片简介
4.5.2不连续交叉肋板片
4.5.3不连续交叉肋板片间对流传热的数值分析
4.5.4不连续交叉肋板片间流动与换热的实验
4.6急扩加速流缩放管
4.7强化换热翅片
4.8纤毛肋强化传热管
4.9小结
参考文献
第5章换热器优化的场协同理论与应用
第6章周期性脉冲对流传热的场协同分析
第7章热磁对流传热的场协同分析
第8章对流传质过程的场协同理论及其应用
前言阅读
随着科学技术的进步与发展，人们对提高生活品质的需求越来越迫切。然而，精神文明和物质文明的发展是以消耗地球上的有限能源，特别是石油和煤炭一类化石能源为代价的。人类在消耗地球上有限能源的同时，也对自身赖以生存的环境造成了严重的污染和破坏。进入21世纪的人类正面临能源与环境两大挑战。我国有13亿多人口，是世界上大的发展中国家，同时，我国的能源资源短缺，人均能源资源就更加不足，优质能源严重匮乏(我国的人均煤炭可采储量为世界人均水平的54%，人均石油剩余可采储量仅为世界人均水平的8%)。目前我国正处在经济建设的重要时期，实现全面小康和现代化战略不可能走多数西方国家大量消耗能源的老路，只能走高效利用能源的可持续发展之路。因此，在未来的经济发展过程中，节能将一直作为我国国民经济可持续发展的基本国策，节能和提高能源使’用效率将显得尤为重要。
在能源的利用过程中，80%以上的能源都需要通过传热过程或通过换热器来实现。可见，发展并采用高效节能的传热强化技术对节能具有十分重要的意义。传热学是一门古老的学科，其中有关强化传热理论与技术的研究已有100多年的历史。特别是在20世纪70年代，世界面临石油危机，使得传热强化技术取得了长足发展，各种各样的传热强化技术得到了研发和应用。然而，在有关传热强化技术的研究中，相关的理论研究比较缺乏，大多数传热强化技术的研发具有经验或半经验性质，而且，在强化换热的同时，还会伴随着流动阻力的大幅增加，流动阻力增加的幅度往往大于传热的增强幅度，总体说来并不节能。因此，从节能的角度考虑，需要在理论指导下研发高效节能的传热强化技术，对工业和生活中最常见的对流传热来说，就是要研发同功耗条件下换热显著强化的新型强化换热理论和技术。
本书所介绍的有关对流传热优化的场协同理论，是作者所在研究团队近20年研究成果的总结。特别是自2000年以来，作者承担了两项973项目的课题研究，使得对流传热过程优化的场协同理论得到了系统和深入的研究，并得到了国内外同行的广泛认可。同时，基于场协同理论作者所在研究团队还发展了系列传热强化节能新技术。为此，作者认为有必要对相关的研究成果做进一步总结，以期对我国的节能减排工作尽绵薄之力。
本书的内容与传统的对流传热强化的书籍有着显著差别，主要表现在：①传统的强化传热书籍往往只是对不同强化技术分类介绍，本书则还介绍对流传热优化的场协同理论，它不仅能对己有的强化技术进行统一的解释和认识，而且，基于场协同理论可发展系列高效节能的传热强化技术；②传统的强化技术大多是经验或半经验性的，缺乏统一的理论指导，而本书则通过场协同理论和求解场协同方程，获得黏性耗散一定条件下换热优的速度场，从而为研发高效节能的强化技术提供理论指导；③传统的强化技术是无法控制其流动阻力增加幅度的，只能通过不断的改进使得流阻不断减小，而基于场协同理论发展的强化技术，具有同功耗条件下换热显著增强的特点，因此，节能效果显著。
本书共分8章。第1章介绍对流传热的基础知识。考虑到对流传热可视为具有内热源的导热(能量方程中的对流项可视为当量内热源)，导热则可视为流体静止时的对流传热，也就是说，导热与对流是密不可分的，所以本章还同时介绍了导热的基础知识。这一方面是为了便于读者阅读和查阅，另一方面是要从传统的传热学知识中提出问题，阐述传热过程优化的场协同理论的意义。
第2章介绍对流传热优化的场协同理论。从最简单的层流边界层换热问题出发，得知对流传热的努塞特数不仅与雷诺数和普朗特数有关，而且与速度和温度梯度的点积在全场的积分(即速度场与温度梯度场或温度场的协同)有关，从而提出了对流传热优化的场协同理论。本章还提出了换热器优化的场协网理论，即在冷热流体的热容量流和传热单元数给定的条件下，冷热流体温度场协同得越好，换热器的有效度越高。
第3章在分析了目前传热学中只有传热速率而没有传热效率概念的现状之后，通过热电比拟，提出了描述物体传热能力的新物理量——熘(早期称为热量传。递势容)，定义了炽耗散函数，并针对导热优化提出了熘耗散极值原理。将该原理应用于对流传热，针对层流换热和湍流换热，分别获得了描述给定黏性耗散条件下换热优的速度场协同方程。通过求解速度场协同方程，可以获得同功耗条件下的优速度场，为发展高效节能的传热强化技术奠定了理论基础。
第4章介绍基于场协同理论发展的传热强化技术，包括交叉缩放椭圆管、不连续双斜内肋管、不连续交叉肋板片、急扩缩放管、强化换热翅片、纤毛肋强化管等。其共同特点是在传热强化的同时，流动阻力的增加相对较小，同功耗下的传热强化指数均大于1，具有显著的节能效果。以不连续双斜内肋管为例，由于管内不连续肋的作用，使其管内流场呈现多纵向涡流型，与求解场协同方程获得的优流场相似，因此具有显著的同功耗条件下的强化效果。
第5章介绍换热器优化的场协同理论与应用。本章首先介绍了换热器中的场协同理论以及对数平均温羞与换热器冷热流体局部温差之间的关系，而后，介绍了几种典型换热器的场协同数的解析表达式以及几种换热器改进冷热流体温度场协同程度的方法。本章还针对简单的一维换热器，基于第3章介绍的炽耗散极值原理证明了换热器场协同理论的正确性。
对流传热优化的场协同理论截图
