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热传输过程中的场协同机制与应用研究

作　者: 吴祥宇
导　师: 夏德宏
学　校: 北京科技大学
专　业: 工程热物理
关键词: 场协同强化传热对流换热热辐射
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

在热科学与能源工程领域中,热传输过程的强化与控制是备受关注的问题。本文以对流换热、物质的热辐射过程等最为普遍的热传输过程作为研究对象,探讨了传输过程中强化(或弱化)目的传输量时,对诸多过程热物理量之间应遵循的基本原则——场协同原理,并基于该原理,对具体传输过程进行了较为系统的理论和应用研究。首先,本文从非平衡热力学理论出发,研究了热传输过程中,多个场之间的组合发生相互协同作用使得目的传输量得到强化(或弱化)的问题,同时用唯象方程说明了改善热传输过程中各个场之间的相互协同关系能强化传输目标量,得出了目标物理量的传输实质是热力学力与相应热力学流协同配合的结果,强化目标物理量的传输实质是优化热力学力与对应热力学流之间的协同配合。其次,本文以强化对流换热为例,从能量方程出发,对对流换热中的场协同理论进行了理论研究,得出优化速度场与温度场的协同关系,能强化换热;同时论文还用数值模拟的方法对该理论进行了验证。而且基于理论指导,设计出了一种场协同强化换热管——旋椭圆管。用数值方法对其流动和换热进行模拟计算,验证了旋椭圆管强化换热的正确性。最后,本文首次将场协同原理推广应用到热辐射传输过程之中。基于对投射热辐射与材料间相互作用微观机理的研究,探讨了热辐射传输过程的强化机制,揭示了材料强化吸收热辐射的机理。首次提出材料与热辐射能(波)的作用实质是入射热辐射场与材料内阻尼振子力场的相互作用,从而用两个场之间的协同配合关系(场协同思想)来理解材料与热辐射的作用。优化入射热辐射场与材料内阻尼振子力场的相互作用,就能强化(或弱化)材料对热辐射的选择性吸收、发射、透射和反射。本文关于对流换热以及材料热辐射作用的强化机制的研究,对于完善场协同原理和拓展场协同原理的应用具有指导意义。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
注释说明清单  9-12
引言  12-14
1 文献综述  14-23
  1.1 热传输强化技术的分类及其研究现状  14-17
  1.2 热传输强化理论的研究现状--场协同原理  17-19
  1.3 场协同原理的应用和发展现状  19-22
    1.3.1 场协同原理在对流换热方面的应用和发展  19-22
    1.3.2 场协同原理在其它方面的应用和发展  22
  1.4 本章小节  22-23
2 强化传输过程的场协同机理研究  23-39
  2.1 非平衡态热力学理论  23-32
    2.1.1 熵和混乱度  23-25
    2.1.2 局域平衡假设  25-26
    2.1.3 几个重要的方程  26-30
    2.1.4 热力学流与热力学力  30-32
  2.2 场协同理论的非平衡态热力学基础  32-34
  2.3 强化热传输过程中的场协同机制  34-36
  2.4 几种经典物理现象的场协同规律分析  36-38
  2.5 本章小结  38-39
3 对流强化换热的场协同机制  39-53
  3.1 对流换热机制分析  39-42
  3.2 剖面无量纲速度、温度的分布对传热的影响  42-45
  3.3 对流强化换热的场协同机制  45-51
    3.3.1 传热过程优化分析  45-46
    3.3.2 对流换热速度场和温度场的优化  46-49
    3.3.3 场协同强化对流换热管--旋椭圆管  49-51
  3.4 本章小结  51-53
4 异型管内对流换热的场协同研究  53-71
  4.1 研究方法和CFX软件  53-54
  4.2 缩放管管内对流换热的场协同方法研究  54-63
    4.2.1 数学描述  54-55
    4.2.2 管内流体流动及其换热的数值描述  55-58
    4.2.3 计算过程  58
    4.2.4 计算结果及讨论  58-63
  4.3 旋椭圆管管内对流换热的场协同方法研究  63-70
    4.3.1 数学描述  64
    4.3.2 管内流体流动及其换热的数值描述  64-65
    4.3.3 计算结果及讨论  65-70
  4.4 本章小结  70-71
5 热辐射问题的场协同机理  71-79
  5.1 热辐射基础  71-75
    5.1.1 材料与热辐射能(波)的相互作用  71-74
    5.1.2 材料对热辐射能(波)选择性吸收的机理  74-75
  5.2 场协同原理在辐射问题上的应用  75
  5.3 材料对热辐射能(波)选择性吸收过程分析及其强化  75-77
    5.3.1 振子力场与入射辐射场相互作用  75-76
    5.3.2 选择性吸收的场协同机理及强化措施  76-77
  5.4 热辐射应用实例  77-78
  5.5 本章小结  78-79
结论  79-81
参考文献  81-88
在学研究成果  88-89
致谢  89

热传输过程中的场协同机制与应用研究

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