對流傳熱優(yōu)化的場協(xié)同理論

前言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，人們對提高生活品質(zhì)的需求越來越迫切。然而，精神文明和物質(zhì)文明的發(fā)展是以消耗地球上的有限能源，特別是石油和煤炭一類化石能源為代價的。人類在消耗地球上有限能源的同時，也對自身賴以生存的環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染和破壞，進(jìn)入21世紀(jì)的人類正面臨能源與環(huán)境兩大挑戰(zhàn)。我國有13億多人口，是世界上最大的發(fā)展中國家，同時，我國的能源資源短缺，人均能源資源就更加不足，優(yōu)質(zhì)能源嚴(yán)重匱乏（我國的人均煤炭可采儲量為世界人均水平的54％，人均石油剩余可采儲量僅為世界人均水平的8％）。目前我國正處在經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要時期，實(shí)現(xiàn)全面小康和現(xiàn)代化戰(zhàn)略不可能走多數(shù)西方國家大量消耗能源的老路，只能走高效利用能源的可持續(xù)發(fā)展之路，因此，在未來的經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，節(jié)能將一直作為我國國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基本國策，節(jié)能和提高能源使用效率將顯得尤為重要?！　≡谀茉吹睦眠^程中，80％以上的能源都需要通過傳熱過程或通過換熱器來實(shí)現(xiàn)?？梢?，發(fā)展并采用高效節(jié)能的傳熱強(qiáng)化技術(shù)對節(jié)能具有十分重要的意義。傳熱學(xué)是一門古老的學(xué)科，其中有關(guān)強(qiáng)化傳熱理論與技術(shù)的研究已有100多年的歷史。特別是在20世紀(jì)70年代，世界面臨石油危機(jī)，使得傳熱強(qiáng)化技術(shù)取得了長足發(fā)展，各種各樣的傳熱強(qiáng)化技術(shù)得到了研發(fā)和應(yīng)用。然而，在有關(guān)傳熱強(qiáng)化技術(shù)的研究中，相關(guān)的理論研究比較缺乏，大多數(shù)傳熱強(qiáng)化技術(shù)的研發(fā)具有經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)，而且，在強(qiáng)化換熱的同時，還會伴隨著流動阻力的大幅增加，流動阻力增加的幅度往往大于傳熱的增強(qiáng)幅度，總體說來并不節(jié)能。因此，從節(jié)能的角度考慮，需要在理論指導(dǎo)下研發(fā)高效節(jié)能的傳熱強(qiáng)化技術(shù)，對工業(yè)和生活中最常見的對流傳熱來說，就是要研發(fā)同功耗條件下?lián)Q熱顯著強(qiáng)化的新型強(qiáng)化換熱理論和技術(shù)。

內(nèi)容概要

當(dāng)今氣候暖化和世界性的能源短缺，迫切要求發(fā)展可再生能源和提高能源利用效率。各種能源的利用中有80％需通過熱量的傳遞和轉(zhuǎn)化，因此傳熱過程特別是對流傳熱過程的強(qiáng)化與優(yōu)化，對節(jié)能減排具有十分重要的意義。與現(xiàn)有半經(jīng)驗(yàn)性的傳熱強(qiáng)化理論與技術(shù)不同，本書從流場與溫度場配合的角度闡明對流傳熱的物理機(jī)制，系統(tǒng)論述了對流傳熱的場協(xié)同強(qiáng)化與優(yōu)化理論，它不僅能統(tǒng)一認(rèn)識現(xiàn)有各種傳熱強(qiáng)化技術(shù)的物理本質(zhì)，而且能開發(fā)系列的高效節(jié)能技術(shù)。本書匯集了作者多年的研究成果，第1章介紹對流傳熱的基礎(chǔ)知識，第2、3章介紹對流傳熱場協(xié)同的基本概念、場協(xié)同方程及對流傳熱過程優(yōu)化的煳耗散極值原理，第4、5章為基于場協(xié)同理論發(fā)展的高效節(jié)能傳熱元件和換熱器優(yōu)化的場協(xié)同理論，第6～8章分別介紹周期性脈沖對流傳熱、熱磁對流傳熱以及對流傳質(zhì)過程的場協(xié)同分析。    本書從理論、技術(shù)和應(yīng)用三方面系統(tǒng)介紹了對流傳熱優(yōu)化的場協(xié)同概念和方法，可供能源、動力、航空航天、化工、石油、機(jī)械、電子等領(lǐng)域的科技人員參考，也可作為大專院校工程熱物理、熱能工程、空調(diào)、制冷等相關(guān)專業(yè)本科生和研究生的教材。

書籍目錄

前言 主要符號 第1章 對流傳熱基礎(chǔ)知識   1.1 熱傳導(dǎo)   1.2 對流傳熱   1.3 對流傳熱過程與熱交換器   1.4 對流傳熱過程的強(qiáng)化與控制   1.5 關(guān)于傳熱學(xué)的兩點(diǎn)思考   1.6 小結(jié)   參考文獻(xiàn) 第2章 對流傳熱優(yōu)化的場協(xié)同理論   2.1 對流傳熱的物理機(jī)制   2.2 對流傳熱優(yōu)化的場協(xié)同理論   2.3 場協(xié)同理論的應(yīng)用   2.4 換熱器中的場協(xié)同理論   2.5 小結(jié)   參考文獻(xiàn) 第3章 管內(nèi)對流傳熱的場協(xié)同方程及其應(yīng)用   3.1 耗散   3.2 煳耗散極值原理   3.3 導(dǎo)熱問題的優(yōu)化   3.4 煅耗散極值原理與最小熵產(chǎn)原理的比較   3.5 管內(nèi)層流對流傳熱的場協(xié)同方程   3.6 速度場優(yōu)化的實(shí)例分析   3.7 縱向渦對管內(nèi)層流流阻和換熱影響的分析   3.8 湍流對流傳熱的場協(xié)同方程   3.9 微肋管強(qiáng)化湍流換熱的機(jī)理分析   3.10 小結(jié)   參考文獻(xiàn) 第4章 基于場協(xié)同理論的傳熱強(qiáng)化技術(shù)   4.1 縱向渦傳熱強(qiáng)化技術(shù)簡介   4.2 交叉縮放橢圓換熱管   4.3 不連續(xù)雙斜向內(nèi)肋管   4.4 交叉縮放橢圓管和不連續(xù)雙斜內(nèi)肋管的綜合性能評價   4.5 不連續(xù)交叉肋板片   4.6 急擴(kuò)加速流縮放管   4.7 強(qiáng)化換熱翅片   4.8 纖毛肋強(qiáng)化傳熱管   4.9 小結(jié)   參考文獻(xiàn) 第5章 換熱器優(yōu)化的場協(xié)同理論與應(yīng)用第5章?lián)Q熱器優(yōu)化的場協(xié)同理論與應(yīng)用   5.1 換熱器優(yōu)化的場協(xié)同理論   5.2 換熱器場協(xié)同理論的證明   5.3 對數(shù)平均溫差與局部溫差的關(guān)系   5.4 逆流換熱器場協(xié)同的改善方法   5.5 順流換熱器場協(xié)同的改善方法   5.6 叉流換熱器場協(xié)同的改善方法   5.7 汽水熱交換器場協(xié)同的改善方法   5.8 小結(jié)   參考文獻(xiàn) 第6章 周期性脈沖對流傳熱的場協(xié)同分析   6.1 脈沖對流傳熱簡介   6.2 周期性脈沖對流傳熱的場協(xié)同關(guān)系式   6.3 平行平板通道內(nèi)脈沖對流傳熱   6.4 平行平板通道內(nèi)脈沖對流傳熱數(shù)值模擬   6.5 圓管內(nèi)層流脈沖對流傳熱   6.6 流體低速繞流振動圓柱對流傳熱的數(shù)值分析   6.7 小結(jié)   參考文獻(xiàn) 第7章 熱磁對流傳熱的場協(xié)同分析   7.1 熱磁對流研究簡介   7.2 物質(zhì)的磁性   7.3 磁場力和磁浮升力   7.4 梯度磁場作用下對流傳熱的控制方程   7.5 理想梯度磁場作用下封閉腔內(nèi)的自然對流傳熱   7.6 磁致純導(dǎo)熱和磁致Benard對流   7.7 理想梯度磁場作用下的地面微重力流動與換熱   7.8 梯度磁場作用下的封閉腔內(nèi)自然對流傳熱   7.9 四極磁場作用下的自然對流   7.10 四極磁場作用下矩形通道內(nèi)對流傳熱   7.11 小結(jié)   參考文獻(xiàn) 第8章 對流傳質(zhì)過程的場協(xié)同理論及其應(yīng)用   8.1 對流傳質(zhì)中的場協(xié)同   8.2 傳質(zhì)過程的不可逆性及最小作用量   8.3 質(zhì)量積耗散極值原理   8.4 光催化反應(yīng)器的性能優(yōu)化   8.5 空間站實(shí)驗(yàn)艙通風(fēng)排污過程優(yōu)化   8.6 小結(jié)   參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　為了便于讀者理解傳熱過程的場協(xié)同理論，本章首先介紹傳熱學(xué)的基礎(chǔ)知識。鑒于傳熱過程的場協(xié)同理論目前還沒有涉及輻射換熱，所以只介紹熱傳導(dǎo)和對流傳熱的基礎(chǔ)知識，其目的在于在了解熱傳導(dǎo)和對流傳熱的傳統(tǒng)處理方法的同時，分析傳熱學(xué)中需要進(jìn)一步研究的問題。例如，傳統(tǒng)的傳熱學(xué)中廣泛使用了熱阻的概念，雖然采用熱阻概念可以方便地分析許多傳熱問題，但它實(shí)際上僅僅適用于一維穩(wěn)態(tài)問題，對于瞬態(tài)導(dǎo)熱、具有內(nèi)熱源的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱以及多維問題等并不能嚴(yán)格地定義熱阻；傳熱學(xué)的教科書中也沒有傳熱過程的效率的討論，原因在于在整個傳熱過程中，能量是守恒的，因此，不能像熱力學(xué)中討論熱機(jī)的熱功轉(zhuǎn)換效率那樣定義傳熱過程的效率；正因?yàn)闆]有傳熱過程的效率，所以傳熱學(xué)教科書中也就沒有傳熱過程優(yōu)化的討論。實(shí)際上，面對節(jié)能這一重大課題，如何使傳熱這一不可逆過程更為高效是發(fā)展高效節(jié)能傳熱技術(shù)的關(guān)鍵。這也正是本書介紹對流傳熱優(yōu)化的場協(xié)同理論的出發(fā)點(diǎn)。當(dāng)然介紹傳統(tǒng)的處理方法和準(zhǔn)則關(guān)系式也可供讀者使用時參考?！　∠旅娣謩e介紹熱傳導(dǎo)、對流傳熱以及熱交換器的基礎(chǔ)知識，在1.5節(jié)，將討論傳熱學(xué)中需要進(jìn)一步研究的問題.有關(guān)傳熱學(xué)的基礎(chǔ)知識，在許多傳熱學(xué)的教科書中都有更詳細(xì)的介紹，本章所介紹的內(nèi)容主要參考了楊世銘和陶文銓編著的《傳熱學(xué)》第4版。

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