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湍流传热
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湍流传热是指流体作湍流流动时发生的传热。因其质点作不规则运动，流场中各种量随时间和空间坐标发生紊乱的变化，导致管中心处温度与管壁处的温度差较小，换热效率高。因此，在实际应用中，湍流传热得以广泛应用。
基本信息
中文名
湍流传热
外文名
turbulent flow heat transfer
分类
热力学
领域
能源利用
基本释义
流体作湍流流动时发生的传热
学科
物理化学
目录
1湍流与湍流传热
2典型模拟计算
3专利与应用
折叠编辑本段湍流与湍流传热
湍流是流体的一种流动状态。当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，也称为稳流或片流;逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流;当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合。这时的流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度产生，这种运动称为湍流，又称为乱流、扰流或紊流。
流体的流动出现湍流后既可以发生湍流传热，因流体的质点作不规则运动，流场中各种量随时间和空间坐标发生紊乱的变化，导致管中心处温度与管壁处的温度差较小，换热效率比层流传热得以提高。因此，在实际应用中湍流传热得到广泛应用。
强化湍流传热常常是强化传热过程的主要途径，常采用的手段有:①选用热导率比较大的流体。例如，氢冷比空气冷有效，水冷效果更佳;②加大流动速度，以提高湍流度，减薄边界层，降低对流热阻;采用短管换热器也可以抑制边界层增厚;③采用螺旋管、螺旋板、入口旋流片、各种波形管、异形管和管内插入件，以及粗糙表面等以增强流体扰动;④在湍流换热较弱的一侧采用肋片、翅片，以增大换热面积和扰动度。
折叠编辑本段典型模拟计算
文献 将GAO-YONG湍流模型应用于湍流传热的研究，分别计算了平板剪切湍流和二维平面冲击射流的湍流传热问题。边界层剪切湍流流动与换热的计算表明:与传统的湍流模型不同，GAO-YONG湍流模型不需要对近壁区域做任何特殊处理(比如壁面函数、低Reynolds数修正等)即可模拟出从壁面到主流区的全部流动与传热情况;另外，对于冲击射流Nusselt数的模拟也得到了与实验符合较好的计算结果，准确地捕捉到了2种冲击高度下流场换热的不同特征，表明了GAO-YONG湍流模型能够较高精度地计算湍流换热。
为了深入理解再生冷却过程中碳氢燃料的超临界湍流传热特性，文献 则以正癸烷为研究对象，对其在非对称受热(上壁面外侧加热)方形通道内的流动传热进行了数值研究。在数值方法可靠性得到充分验证的基础上，详细探讨了进口温度和压力等运行参数对通道上壁面和侧壁面内侧平均壁温和平均努塞尔数分布的影响。计算结果表明:在运行压力接近临界压力且主流温度处于拟临界温度附近的综合条件下，流体热物性剧烈变化导致的类膜态沸腾效应，引起了上壁面内侧显著的传热恶化现象。同时，不平衡压差诱发的通道截面速度场异常分布，进一步影响了上壁面内侧近壁区域流体的换热性能。另外，类膜态沸腾效应致使上壁面热流更多地传递到侧壁面，导致侧壁面平均努塞尔数大幅增大，相比于正常换热的最大增幅约为50%。
文献 以长方体Rayleigh-Bénard湍流热对流系统为研究对象，通过改变下导板加热片的功率分布改变下导板的温度分布，精确测量了系统湍流传热效率Nu数，研究了非均匀加热对Nu数的影响。实验结果表明:在非均匀加热情况下，Nu数得到了提升，且加热片的功率分布越不均匀，Nu数的提升越显著，实验中Nu数的提升最大达到13%。值得注意的是，非均匀加热时，上下导板温差越大，Nu数的提升会更加明显。该文献推测Nu数获得提升的原因是:在线性非均匀加热状态下，左右不对称的下导板温度边界层促进了热羽流的生成，进而提高了传热效率。
折叠编辑本段专利与应用
实用新型专利 公开了一种湍流传热锅炉，该锅炉包括双层壁构成的炉体，双层壁之间形成用于注水的水套，双层壁的内壁向炉体内伸出一个以上的受热片，所述受热片表面设置有导热肋条，所述导热肋条位于受热片的下表面，所述受热片相互之间平行交错，所述导热肋条的截面形状为圆形、半圆形、三角形、梯形、四方形、梳齿形其中的一种或几种，所述导热肋条焊接在受热片表面。本实用新型具备的有益技术效果是:受热片的表面设置有导热肋条，而导热肋条可以使热量在传递过程中形成湍流效应，水套中的水能够更好地吸热升温，提高了热效率。
在区域供冷、供热和流体的长距离管道传输过程中，需耗费大量的能量。通常，流体的沿程流动阻力和热损失是能源损耗的重要因素之一。在水中加入适量的减阻添加剂CTAC可以是湍流的阻力大大降低，最大可减少80%的阻力。但同时，人们发现这种热流体的传热性能下降。在阻力减少的同时，伴随传热性能最大下降可达80%。有的地方需要在减少阻力的同时，做到不降低流体的湍流特性，从而增强传热效果。发明专利 提供了一种用于动力工程技术领域的控制减阻流体的湍流及传热特性的方法，包括三个基本步骤:减阻流体特性的提取:特性包括流动的雷诺数，添加剂CTAC溶液的浓度，流体的温度，获取该减阻流体的表面活性剂浓度CMC，用温度计测出流体的工作温度范围并记录下来，针对具体的减阻流体的浓度和特性尺度确定减阻流体的雷诺数Re;控制方式的选择:根据浓度和减阻流体的雷诺数，控制减阻流体湍流特性的控制装置选用网格装置，控制的位置从需要增强湍流特性的位置前30mm开始，筛网间隔地分布于整段需要增强湍流特性的区间;控制器材的确定:在需要增强传热的部件或管道内安装相应的网格装置，或者在传热的部件或管道前安装网格装置，一张A型网格相当于4张C型网格的效果。
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中文名
湍流传热
外文名
turbulent flow heat transfer
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热力学
领域
能源利用
基本释义
流体作湍流流动时发生的传热
学科
物理化学
目录
1湍流与湍流传热
2典型模拟计算
3专利与应用
折叠编辑本段湍流与湍流传热
湍流是流体的一种流动状态。当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，也称为稳流或片流;逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流;当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合。这时的流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度产生，这种运动称为湍流，又称为乱流、扰流或紊流。
流体的流动出现湍流后既可以发生湍流传热，因流体的质点作不规则运动，流场中各种量随时间和空间坐标发生紊乱的变化，导致管中心处温度与管壁处的温度差较小，换热效率比层流传热得以提高。因此，在实际应用中湍流传热得到广泛应用。
强化湍流传热常常是强化传热过程的主要途径，常采用的手段有:①选用热导率比较大的流体。例如，氢冷比空气冷有效，水冷效果更佳;②加大流动速度，以提高湍流度，减薄边界层，降低对流热阻;采用短管换热器也可以抑制边界层增厚;③采用螺旋管、螺旋板、入口旋流片、各种波形管、异形管和管内插入件，以及粗糙表面等以增强流体扰动;④在湍流换热较弱的一侧采用肋片、翅片，以增大换热面积和扰动度。
折叠编辑本段典型模拟计算
文献 将GAO-YONG湍流模型应用于湍流传热的研究，分别计算了平板剪切湍流和二维平面冲击射流的湍流传热问题。边界层剪切湍流流动与换热的计算表明:与传统的湍流模型不同，GAO-YONG湍流模型不需要对近壁区域做任何特殊处理(比如壁面函数、低Reynolds数修正等)即可模拟出从壁面到主流区的全部流动与传热情况;另外，对于冲击射流Nusselt数的模拟也得到了与实验符合较好的计算结果，准确地捕捉到了2种冲击高度下流场换热的不同特征，表明了GAO-YONG湍流模型能够较高精度地计算湍流换热。
为了深入理解再生冷却过程中碳氢燃料的超临界湍流传热特性，文献 则以正癸烷为研究对象，对其在非对称受热(上壁面外侧加热)方形通道内的流动传热进行了数值研究。在数值方法可靠性得到充分验证的基础上，详细探讨了进口温度和压力等运行参数对通道上壁面和侧壁面内侧平均壁温和平均努塞尔数分布的影响。计算结果表明:在运行压力接近临界压力且主流温度处于拟临界温度附近的综合条件下，流体热物性剧烈变化导致的类膜态沸腾效应，引起了上壁面内侧显著的传热恶化现象。同时，不平衡压差诱发的通道截面速度场异常分布，进一步影响了上壁面内侧近壁区域流体的换热性能。另外，类膜态沸腾效应致使上壁面热流更多地传递到侧壁面，导致侧壁面平均努塞尔数大幅增大，相比于正常换热的最大增幅约为50%。
文献 以长方体Rayleigh-Bénard湍流热对流系统为研究对象，通过改变下导板加热片的功率分布改变下导板的温度分布，精确测量了系统湍流传热效率Nu数，研究了非均匀加热对Nu数的影响。实验结果表明:在非均匀加热情况下，Nu数得到了提升，且加热片的功率分布越不均匀，Nu数的提升越显著，实验中Nu数的提升最大达到13%。值得注意的是，非均匀加热时，上下导板温差越大，Nu数的提升会更加明显。该文献推测Nu数获得提升的原因是:在线性非均匀加热状态下，左右不对称的下导板温度边界层促进了热羽流的生成，进而提高了传热效率。
折叠编辑本段专利与应用
实用新型专利 公开了一种湍流传热锅炉，该锅炉包括双层壁构成的炉体，双层壁之间形成用于注水的水套，双层壁的内壁向炉体内伸出一个以上的受热片，所述受热片表面设置有导热肋条，所述导热肋条位于受热片的下表面，所述受热片相互之间平行交错，所述导热肋条的截面形状为圆形、半圆形、三角形、梯形、四方形、梳齿形其中的一种或几种，所述导热肋条焊接在受热片表面。本实用新型具备的有益技术效果是:受热片的表面设置有导热肋条，而导热肋条可以使热量在传递过程中形成湍流效应，水套中的水能够更好地吸热升温，提高了热效率。
在区域供冷、供热和流体的长距离管道传输过程中，需耗费大量的能量。通常，流体的沿程流动阻力和热损失是能源损耗的重要因素之一。在水中加入适量的减阻添加剂CTAC可以是湍流的阻力大大降低，最大可减少80%的阻力。但同时，人们发现这种热流体的传热性能下降。在阻力减少的同时，伴随传热性能最大下降可达80%。有的地方需要在减少阻力的同时，做到不降低流体的湍流特性，从而增强传热效果。发明专利 提供了一种用于动力工程技术领域的控制减阻流体的湍流及传热特性的方法，包括三个基本步骤:减阻流体特性的提取:特性包括流动的雷诺数，添加剂CTAC溶液的浓度，流体的温度，获取该减阻流体的表面活性剂浓度CMC，用温度计测出流体的工作温度范围并记录下来，针对具体的减阻流体的浓度和特性尺度确定减阻流体的雷诺数Re;控制方式的选择:根据浓度和减阻流体的雷诺数，控制减阻流体湍流特性的控制装置选用网格装置，控制的位置从需要增强湍流特性的位置前30mm开始，筛网间隔地分布于整段需要增强湍流特性的区间;控制器材的确定:在需要增强传热的部件或管道内安装相应的网格装置，或者在传热的部件或管道前安装网格装置，一张A型网格相当于4张C型网格的效果。
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