加热或冷却表面的流体会从平滑流过渡到混合、湍流流。麻省理工学院的一项新的分析显示了过渡区域对热流和温度控制的重要性。资料来源:研究人员提供，麻省理工学院新闻编辑
了解流体如何加热或冷却表面-在许多行业至关重要
无论是在工业工厂中流过冷凝器板的水，还是在加热和冷却管道中嗖嗖作响的空气，流体在平面上的流动是现代生活中许多过程的核心现象。然而，一项新的分析显示，人们对这一过程的某些方面了解甚少，而且对几代工程学学生的某些方面的教导也不正确。
这项研究审查了几十年来发表的关于流体流动的研究和分析。它发现，虽然大多数本科教材和课堂上的传热教学描述这种流动有两个不同的区域，由一个突然的过渡隔开，但实际上有三个不同的区域。研究人员说，一个漫长的过渡区与第一个和最后一个区一样重要。
这种差异与流体流动的两种不同方式之间的转换有关。当水或空气开始沿着一个扁平的、固体的薄片流动时，一个薄的边界层就形成了。在这一层中，最接近表面的部分由于摩擦几乎没有移动，在它上面的部分流动得更快，以此类推，直到它以原始流的全速移动。这种通过薄边界层的稳定的、逐渐增加的速度叫做层流。但在进一步下沉的气流中，气流发生了变化，分裂成混乱的漩涡和涡流，即湍流。
边界层的特性决定了流体传递热量的好坏，这是许多冷却过程的关键，如高性能计算机、海水淡化厂或发电厂冷凝器。
学生们被教去计算这种流动的特性，就好像从层流突然转变为湍流一样。但是麻省理工学院的阿卜杜勒·拉蒂夫·贾米尔水和机械工程教授约翰·林哈德(John linenhard)对公布的实验数据进行了仔细分析，发现这幅图忽略了这个过程的一个重要部分。这项研究结果刚刚发表在《传热杂志》上。
林哈德对传热数据的回顾揭示了层流和湍流之间的一个重要过渡区。这一过渡区对热流的阻力在其他两个区域之间逐渐变化，这一区域就像它之前的层流区一样长和独特。
林哈德说，这一发现可能会对从海水淡化或其他工业规模过程的热交换器设计，到了解喷气发动机的空气流动等所有方面产生潜在的影响。
林哈德指出，事实上，大多数研究这类系统的工程师都知道存在一个很长的过渡区，即使本科课本里没有。现在，通过澄清和量化的过渡，这项研究将有助于使理论和教学符合实际的工程实践。他表示:“过去六七十年来，关于突变的概念在传热教科书和教室中根深蒂固。”
理解平面流动的基本公式是所有更复杂流动情况的基本基础，例如气流流过弯曲的飞机机翼或涡轮叶片，或冷却重返大气层的航天器。林哈德说:“平坦的表面是理解这些东西如何工作的起点。”
1921年，德国研究人员恩斯特·波尔豪森(Ernst Pohlhausen)提出了平面理论。但即便如此，“实验室实验通常并不符合理论假设的边界条件。一个实验室的平板可能有一个圆形的边缘或不均匀的温度，所以在20世纪40年代、50年代和60年代的研究人员经常‘调整’他们的数据，以迫使他们同意这个理论，”他说。否则良好的数据和这一理论之间的差异也导致热传递文献专家之间的激烈分歧。
林哈德发现，英国航空部的研究人员在1931年就已经发现并部分解决了地表温度不均匀的问题。“但他们无法完全解出他们推导出的方程，”他说。“这要等到1949年开始使用数字计算机之后。”与此同时，专家之间的争论仍在继续。
林哈德说，他决定看一看正在教授的方程的实验基础，意识到研究人员几十年来已经知道，过渡发挥了重要作用。“我想用这些方程绘制数据。这样，学生们就能知道这些方程的效果如何。”他说。“我查阅了1930年以来的实验文献。收集这些数据让事情变得非常清楚:我们所教授的内容被过分简化了。”流体流动描述的差异意味着传热的计算有时是不正确的。
现在，有了这种新的分析，工程师和学生将能够在非常广泛的流动条件和流体范围内精确地计算温度和热流，林哈德说。
佐治亚理工学院机械工程教授安德烈·费多罗夫(Andrei Fedorov)说:“由于对基础物理缺乏明确的第一原理理解，预测从层流到湍流的流动区域内的传热系数一直是一个巨大的科学挑战。”费多罗夫没有参与这项工作。他补充说，林哈德“仔细梳理了几十年来不同研究人员发表的一系列不同的过渡区实验数据，得出了一个令人惊讶的有效的预测能力，传热系数的相关性，跨越了从层流到过渡到湍流的整个流动范围。”
弗吉尼亚理工大学机械工程荣誉教授罗伯特·马汉(Robert Mahan)也没有参与这项工作，他说林哈德“指出并解决了古典文献中超过一代人没有解决的矛盾”。当学术尘埃从这短暂但强大的旋风中落定时，毫无疑问，这将是在这一贡献中提出的更新的相关性，严肃的学者和实践的工程师将使用它来预测平板传热。”
参考文献:“平板边界层的传热:层流、过渡流和湍流的相关性”，作者:John H. Lienhard。URI: 1721.1/124894
