熱邊界層

Pr表示普朗特準(zhǔn)則，

上式確定了常物性流體外掠常壁溫平板層流換熱時(shí)熱邊界層的厚度。

利用溫度邊界層的概念常可使對(duì)流換熱溫度場和對(duì)流換熱系數(shù)的分析求解大為簡化。

流動(dòng)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(duì)于層流，溫度呈多項(xiàng)式曲線弄分布，對(duì)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(biāo)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(dāng)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

指研究對(duì)流換熱問題時(shí)，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(shí)，流體與平板之間將進(jìn)行對(duì)流換熱; 此時(shí)除非流體的導(dǎo)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(shí)驗(yàn)表明，其厚度δ_t總是沿流動(dòng)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(zhǔn)則Pr的大小。當(dāng)Pr=1時(shí)， δ_t=δ;Pr<1時(shí)，δ_t>δ; Pr>1時(shí)， δ_t<δ。

對(duì)于層流熱邊界層，管內(nèi)的熱損失主要是導(dǎo)熱。對(duì)于紊流熱邊界層，管內(nèi)的熱損失主要是對(duì)流。熱邊界層管道的整個(gè)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(duì)管道進(jìn)行檢修，又能起到減小熱損失的效果。

本項(xiàng)研究將利用分析、數(shù)值以及實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析和認(rèn)識(shí)瞬態(tài)耦合熱邊界層內(nèi)流，外流及混合流的基本流動(dòng)結(jié)構(gòu)；理解耦合熱邊界層不穩(wěn)定流動(dòng)形成機(jī)制以及垂直壁兩側(cè)不穩(wěn)定流動(dòng)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(dòng)演化對(duì)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(duì)流動(dòng)控制參數(shù)的依賴關(guān)系。本項(xiàng)研究獲得的成果可以補(bǔ)充和擴(kuò)展流動(dòng)耦合效應(yīng)方面的流體力學(xué)知識(shí)和概念，并可進(jìn)一步應(yīng)用到實(shí)際工業(yè)儀器設(shè)備的設(shè)計(jì)中，為其提供設(shè)計(jì)思路。

實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，在對(duì)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(gè)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(duì)于外掠平板的對(duì)流換熱，類似于速度邊界層得定義，傳熱學(xué)中一般也將達(dá)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(jí)上是個(gè)與運(yùn)動(dòng)邊界層厚度δ相當(dāng)?shù)男×?。于是?duì)流換熱問題的溫度場也可以分為兩個(gè)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(shí)踐的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，而國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對(duì)壁面兩側(cè)耦合熱流動(dòng)等重要工程問題的研究依然薄弱。本項(xiàng)基金利用尺度分析，直接數(shù)值模擬以及實(shí)驗(yàn)測量等方法開展了壁面一側(cè)和兩側(cè)耦合流動(dòng)的研究。在該項(xiàng)基金的實(shí)施過程中，已在控制參數(shù)對(duì)熱邊界層對(duì)流以及傳熱影響研究上取得若干實(shí)質(zhì)進(jìn)展。研究結(jié)果表明兩側(cè)耦合熱邊界層流動(dòng)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?cái)?shù)等控制參數(shù)有關(guān)，得到了主要的流動(dòng)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(duì)流的流動(dòng)和傳熱的定量刻畫。以上的研究成果可補(bǔ)充現(xiàn)有流體力學(xué)知識(shí)的缺失，也為進(jìn)一步的工程設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)性設(shè)計(jì)思路。研究成果的一部分已分別在國內(nèi)外重要的學(xué)術(shù)會(huì)議上進(jìn)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(jìn)展表明該項(xiàng)基金的研究目標(biāo)和任務(wù)已順利完成。