Будь то вода, протекающая через пластину конденсатора на промышленном предприятии, или воздух, проникающий через нагревательные и охлаждающие каналы, поток жидкости через плоские поверхности - явление, лежащее в основе многих процессов современной жизни. Тем не менее, новый анализ показывает, что некоторые аспекты этого процесса плохо изучены, а некоторые из них неправильно преподаются поколениям студентов-инженеров.
В исследовании рассматривались несколько десятилетий опубликованных исследований и анализа потоков жидкости. Он обнаружил, что, хотя в большинстве учебников для студентов и в классе по теплообмену описывается такой поток как наличие двух разных зон, разделенных резким переходом, на самом деле существуют три разные зоны. Исследователи говорят, что длинная переходная зона так же значительна, как и первая и последняя зоны.
Это несоответствие связано со сдвигом между двумя различными путями, по которым жидкость может течь. Когда вода или воздух начинают течь вместе с плоским сплошным листом, образуется тонкий пограничный слой. Внутри этого слоя часть, ближайшая к поверхности, почти не движется из-за трения, часть чуть выше, которая течет немного быстрее, и так далее, до точки, где она движется с полной скоростью исходного потока. Это устойчивое, постепенное увеличение скорости через тонкий пограничный слой называется ламинарным потоком. Но дальше вниз по течению поток меняется, распадаясь на хаотические вихри и вихри, известные как турбулентный поток.
Свойства этого пограничного слоя определяют, насколько хорошо жидкость может передавать тепло, что является ключевым фактором для многих процессов охлаждения, таких как высокопроизводительные компьютеры, опреснительные установки или конденсаторы электростанций.
Студентов научили рассчитывать характеристики таких потоков, как если бы произошел внезапный переход от ламинарного потока к турбулентному потоку. Но Джон Линхард, профессор воды и машиностроения Абдул Латиф Джамиль, провел тщательный анализ опубликованных экспериментальных данных и обнаружил, что эта картина игнорирует важную часть процесса. Результаты были только что опубликованы в Журнале теплопередачи .
Обзор данных теплообмена, проведенный Линхардом, показывает значительную зону перехода между ламинарным и турбулентным потоками. Сопротивление этой переходной зоны тепловому потоку постепенно изменяется между таковыми двух других зон, и зона такая же длинная и отличительная, как и зона ламинарного потока, которая предшествует ей.
По словам Линхарда, полученные результаты могут иметь значение для всего: от конструкции теплообменников для опреснения или других промышленных процессов до понимания потока воздуха через реактивные двигатели.
На самом деле, однако, большинство инженеров, работающих над такими системами, понимают существование длинной переходной зоны, даже если ее нет в учебниках для студентов, отмечает Линхард. Теперь, уточняя и количественно оценивая переход, это исследование поможет привести теорию и преподавание в соответствие с реальной инженерной практикой. «Понятие резкого перехода укоренилось в учебниках и классах по теплопередаче в течение последних 60 или 70 лет», - говорит он.
Базовые формулы для понимания потока вдоль плоской поверхности являются фундаментальной основой для всех более сложных ситуаций потока, таких как воздушный поток над изогнутым крылом самолета или лопастью турбины, или для охлаждения космических аппаратов, когда они возвращаются в атмосферу. «Плоская поверхность является отправной точкой для понимания того, как работает любая из этих вещей», - говорит Линхард.
Теория плоских поверхностей была изложена немецким исследователем Эрнстом Полхаузеном в 1921 году. Но даже в этом случае «лабораторные эксперименты обычно не соответствовали граничным условиям, принятым теорией. Лабораторная пластинка может иметь закругленный край или неоднородную температуру, поэтому исследователи в 1940-х, 50-х и 60-х годах часто «корректировали» свои данные, чтобы добиться согласия с этой теорией », - говорит он. Расхождения между другими хорошими данными и этой теорией также привели к острым разногласиям среди специалистов по литературе по теплопередаче.
Линхард обнаружил, что исследователи из британского Министерства авиации выявили и частично решили проблему неоднородных температур поверхности в 1931 году. «Но они не смогли полностью решить уравнение, которое они получили», - говорит он. «Это должно было ждать, пока цифровые компьютеры не могут быть использованы, начиная с 1949 года». Между тем споры между специалистами кипятятся на месте.
Линхард говорит, что он решил взглянуть на экспериментальную основу для изучаемых уравнений, понимая, что исследователи на протяжении десятилетий знали, что переход сыграл значительную роль. «Я хотел представить данные с помощью этих уравнений. Таким образом, студенты могли видеть, насколько хорошо уравнения работают или не работают », - сказал он. «Я изучал экспериментальную литературу еще в 1930 году. Сбор этих данных дал мне кое-что очень ясное: то, чему мы учили, было ужасно упрощено». А несоответствие в описании потока жидкости означало, что расчеты теплообмена иногда были отключены.
Теперь, благодаря новому анализу, инженеры и студенты смогут точно рассчитывать температуру и тепловой поток в очень широком диапазоне условий потока и жидкостей, говорит Линхард.
«Прогнозирование коэффициента теплопередачи в регионе, где переходы потока от ламинарного к турбулентному режиму были большой научной проблемой из-за отсутствия четкого понимания основополагающих принципов фундаментальной физики», - говорит Андрей Федоров, профессор машиностроения в Грузии. Тех, кто не был вовлечен в эту работу. Он добавляет, что Линхард «тщательно прочесал массив разрозненных экспериментальных данных для региона перехода, опубликованных за многие десятилетия различными исследователями, и придумал удивительно эффективную с точки зрения прогнозирования корреляцию для коэффициента теплопередачи, которая охватывает весь диапазон течет от ламинарного до турбулентного ».
Роберт Махан, почетный профессор машиностроения в Технологии Вирджинии, который также не был связан с этой работой, говорит, что Линхард «указывает - и устраняет - несоответствия в классической литературе, которые оставались неразрешенными больше поколения. Когда научная пыль осядет из этого короткого, но мощного вихря, это, без сомнения, будет обновленными корреляциями, представленными в этом вкладе, которые серьезные ученые и практикующие инженеры будут использовать для прогнозирования теплообмена от плоских пластин ».
Автор Дэвид Л. Чендлер
