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对流传热强化的最小作用量原理分析

石文强  
【摘要】:对流传热强化技术是广泛应用于国民经济的各类行业部门,能够节能降耗并促进和适应高热流场合的重大关键技术。对流传热强化的根本任务是实现传热过程的最优设计和控制。对流传热过程的强化目标可以归结为降低过程的不可逆性。熵产和耗散是用于表征对流传热过程不可逆性的两个关键物理量,因此强化传热研究的目标可以归结为寻求降低熵产或耗散的方法。 为了建立强化传热技术的系统性理论,最小作用量原理和场协同的概念被引入了传热学的研究。场协同理论尝试从流场和温度场配合的角度统一解释各类强化传热的物理机制,得到许多有益的结论,但是该理论没能指出实现优化流场的具体途径。本文从最小作用量原理和场协同的角度综合比较分析了折流杆、旋流片和空心环这三种元件强化传热的机理,发现耗散量随雷诺数的变化趋势与平均努塞尔数一致,场协同理论在关注强化传热的同时没有考虑流动阻力的影响。 最小熵产原理和耗散原理的研究受到广泛关注。特别是目前基于耗散的概念建立起来的泛函优化模型及其变分原理被认为是指导对流传热强化的最优化原则。在这些泛函优化模型中,一类是熵产、耗散分别被作为目标函数,流动功耗和粘性耗散分别被作为积分约束条件,另一类则是流动功耗和粘性耗散分别被作为目标函数,耗散被作为积分型约束条件。泛函优化模型的变分驻值条件归结为场协同方程组,该方程组被认为是描述对流传热最优流场的控制方程组。针对目前出现的这些最小作用量原理及其泛函优化模型,本文综合运用理论分析和数值模拟方法从其泛函模型的物理意义、建立途径以及求解方法等方面进行了详细的综合对比和分析,发现这些变分原理对于对流换热均有不同程度的强化,但是都仅在特定的严格条件下才成立。同时,场协同方程组并不是完整的变分驻值条件,其求解一般用近似解法,而所得结果尚不能确定为最优解。目前对流传热强化的最小作用量原理及其泛函优化模型尚需进一步完善。


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