场协同理论与强化换热技术报告人：云和明 博士山东大学空间热科学中心报告的主要内容
流体对流传热的场协同理论
传统的强化传热理论
场协同理论的数值验证
换热器的场协同理论
场协同强化传热研究所用的工具，方法
自己的一些感想体会流体对流传热的场协同理论层流边界层的能量守恒方程：
导热的能量守恒方程：
)()( yTyyTvxTuCp
（ 1-1a）
)(),( yTyyxq
(1-1b)
)x(qyTdy)yTvxTu(Cp ww0 x,t
（ 1-2a)
)x(qyTdy)y,x(q ww
0
x,t?
(1-2b)
对流换热三维的能量方程可写为
q)zT(z)yT(y)xT(x)zTwyTvxTu(Cp （ 1－ 3a)
)x(qyTdy}q)]yT(y)xT(x[)zTwyTvxTu(Cp{ w0 x,t
(1-3b)
对流源项 真实源项导热源项等式的右边仍然是通常关注的壁面热流，等式的左边则是各种源项在热边界层中的总和。它们分别是真实源项，对流源项（流动引起的当量热源）和导热源项（流体中平行壁面方向导热引起的当量热源）。用此源强化的概念就能很好的认识为什么具有放热化学反应的流体加热冷壁时，对流换热能强化；为什么空气冷却器中喷水蒸发能强化换热，以及在管流中流体的轴向导热会引起 Nu 的降低。
)x(qyTdy)yTvxTu(Cp ww0 x,t
等式左边的对流项改写为矢量的形式
)x(qyTdy)TU(Cp ww
0
x,t?
UUU
tw /)TT(
TT
t
yy
wTT
引入无因次变量并代入
10 xx Nuyd)TU(PrRe?
整理后可得无因次关系式
c o sTUTU
10 x P r ),( R efyd)TU(I?
（积分值的物理意义在于在 x处热边界层厚度截面内的无因次热源强度的和 。积分的值一般与流动、
物性因素等有关，也就是说它是 和的函数 ）
x
y
T
TT
ydTU
Cp
v
v
xU w1
0
10 xx Nuyd)co sTUPrRe
要使传热强化有三方面的途径：
（ 1）提高 Re数，例如增加流速、缩小通道直径等，就能使换热增强；
（ 2）提高 Pr数，改变流动介质的物理性质，例如增加流体的比容或黏性，将导致数的增大
（ 3）增加无因次积分值1
0 yd)c o sTU?
在速度和温度梯度一定（或者 Re,Pr 数不变）的条件下，减小它们之间的夹角（ ）就能提高积分的值，从而使得 Nu数增大即换热强化。090
对流换热的物理机制
（ 1）对流换热从本质上来说是具有内热源的导热，流体的运动起着当量热源的作用。
（ 2）对流换热的强度取决于当量热源的强度，它不仅取决于流体与固壁的温差、
流动速度和流体的热物理性质和输运性质，而且还取决于流体速度矢量与热流矢量的夹角。
（ 3）流体引起的当量热源可以为正，也可为负。所以流体流动可强化换热也可减弱换热（流体对固壁加热时，热源使换热强化，热汇使换热减弱，当流体冷却固壁时，热汇能使换热强化，而热源则使换热减弱）。
总之，对流换热并不一定高于纯导热的换热强度。严格的讲，对流换热并不是热量传递的基本模式，它只不过是流体在有运动情况下的导热问题。因为没有流动，
纯导热模式仍可以存在。而如果没有导热，对流换热的模式就无法存在。
对流换热的场协同原理
1998年清华大学过增元院士及其合作者对边界层型的流动进行了能量方程的分析,通过将该方程在热边界层内的积分,证明了减小速度矢量与温度梯度之间的夹角是强化对流换热的有效措施,这一思想在文献中现称为场协同原理 (field synergy principle，或者 field coordination principle)
现阶段仅限于单相流体
速度矢量与温度梯度的夹角的余弦值尽可能大，及两夹角 尽可能小（
）或 尽可能大（ ）
流体速度剖面和温度剖面尽可能均匀（在最大流速可温差一定条件下）
尽可能使三个标量场中的大值与大值搭配（使三个标量场中的大值尽可能同时出现在整个场中的某些区域,此时三个标量指速度绝对值，温度绝对值，夹角余弦场）
090
0180
场协同数
PrRe NuydTUFc?
（ 1）物理意义：速度场和温度场协同的程度
（ 2）对于我们比较熟知的换热情况，其协同程度远小于 1，甚至低 1～ 2个数量级
（ 3）典型的对流换热模式的场协同数随着雷诺数的增加而减少传统的强化传热理论 （单相）
减薄热边界层
增加流体中的扰动
增加壁面附近的速度梯度
壁面区和中心流体区的混合
二次流的形成和湍流强度以上技术取得广泛的应用，但普遍存在一个问题，及传热强化的同时，流动阻力（或功耗）的增加更多。我们可利用场协同理论来解决此问题。
场协同理论的数值验证
边界层型的流动与换热
有两个扰流子的平行板通道中的换热
插入有同心圆棒的圆管 中流体的流动换热
顺排翅片通道与平行平板通道的比较流体
二维叉排板换热,通道与平直通道的对比流体换热器中的场协同原理
换热器中冷热流体温度场间的协同越好，换热器的换热性能就越好
温差场均匀性原则的应用，提供了一种提高叉流换热器热性能的新方法 — 通过改善温差场的均匀性来强化叉流换热器的效能具体办法如下,
（ 1）传热面积的合理分配
（ 2） 改变流程间管道的联接多股流换热器传热有效度两股流换热器温差均匀性判断因子多股流换热器温差均匀性判断因子对于三股流五通道换热器，流体采用
ABCBA的排列方式时，在保持流量、入口温度、流体的排列等参数不变的情况下，
只是改变流体的流动方向，从而形成三种不同的工况,纯顺流工况一五通道流体同向流动 ;纯逆流工况一相邻通道流动方向相反 ;
混合流工况一中间三通道流动方向一致换热器中场协同小结：
对于两股流换热器，在入口参数相同的条件下，逆流的结构布置换热性能要好于顺流损失更小。然而，对于多股流换热器，由于多流体、多通道布置方式的多样性，使得温度场、速度场、温差场等场间协同变得更复杂，
对整个换热器换热性能的影响更加严重,
通过三个算例可以看出，流体组织结构的变化，将直接改变各个换热流体对的特性，这种特性不仅包括各股流体的温度变化，而且直接协变换热对的温差场，使其温差场的均匀性改变，从而导致该换热对的换热性能改善或恶化。
在多股流换热器中，由于这种多场协同作用，对于不同的流体组织结构，
可能会出现局部顺流 (混合流 )换热性能优于纯逆流的情况，甚至纯顺流换热性能优于纯逆流的情况。
温差场均匀性原则的提出为叉流换热器的强化提供了一种新的技术途径，
它与传统的强化传热技术相比，具有不产生明显的附加阻力损失等优点,
场协同强化传热研究所用的工具，方法
实验（传热性能、阻力性能）
数值模拟（利用功能强大的 CFD软件如 cfx、
fluent和 ansys结合计算机编程做研究）
数值模拟和试验相结合（现通过数值模拟计算出最佳和最差工况，然后再进行实验验证）
自己的一些感想体会
合理详尽的计划
要有顽强的毅力、敏锐的判断力和哲学的研究思维
多相互交流（讨论会，网上论坛，专业会议）
能迅速积累研究用的知识和能力（软件，编程，
专业课，数学，英语）
抽时间多陪一陪家人，它们为我们能完成学业牺牲奉献了太多
最后衷心感谢程老师给我们提供了良好的学习条件和研究氛围，我们应不遗余力的学习以不辜负他对我们的希望！！！！！
谢谢 大家 ！
流体对流传热的场协同理论
传统的强化传热理论
场协同理论的数值验证
换热器的场协同理论
场协同强化传热研究所用的工具，方法
自己的一些感想体会流体对流传热的场协同理论层流边界层的能量守恒方程：
导热的能量守恒方程：
)()( yTyyTvxTuCp
（ 1-1a）
)(),( yTyyxq
(1-1b)
)x(qyTdy)yTvxTu(Cp ww0 x,t
（ 1-2a)
)x(qyTdy)y,x(q ww
0
x,t?
(1-2b)
对流换热三维的能量方程可写为
q)zT(z)yT(y)xT(x)zTwyTvxTu(Cp （ 1－ 3a)
)x(qyTdy}q)]yT(y)xT(x[)zTwyTvxTu(Cp{ w0 x,t
(1-3b)
对流源项 真实源项导热源项等式的右边仍然是通常关注的壁面热流，等式的左边则是各种源项在热边界层中的总和。它们分别是真实源项，对流源项（流动引起的当量热源）和导热源项（流体中平行壁面方向导热引起的当量热源）。用此源强化的概念就能很好的认识为什么具有放热化学反应的流体加热冷壁时，对流换热能强化；为什么空气冷却器中喷水蒸发能强化换热，以及在管流中流体的轴向导热会引起 Nu 的降低。
)x(qyTdy)yTvxTu(Cp ww0 x,t
等式左边的对流项改写为矢量的形式
)x(qyTdy)TU(Cp ww
0
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UUU
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TT
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引入无因次变量并代入
10 xx Nuyd)TU(PrRe?
整理后可得无因次关系式
c o sTUTU
10 x P r ),( R efyd)TU(I?
（积分值的物理意义在于在 x处热边界层厚度截面内的无因次热源强度的和 。积分的值一般与流动、
物性因素等有关，也就是说它是 和的函数 ）
x
y
T
TT
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Cp
v
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0
10 xx Nuyd)co sTUPrRe
要使传热强化有三方面的途径：
（ 1）提高 Re数，例如增加流速、缩小通道直径等，就能使换热增强；
（ 2）提高 Pr数，改变流动介质的物理性质，例如增加流体的比容或黏性，将导致数的增大
（ 3）增加无因次积分值1
0 yd)c o sTU?
在速度和温度梯度一定（或者 Re,Pr 数不变）的条件下，减小它们之间的夹角（ ）就能提高积分的值，从而使得 Nu数增大即换热强化。090
对流换热的物理机制
（ 1）对流换热从本质上来说是具有内热源的导热，流体的运动起着当量热源的作用。
（ 2）对流换热的强度取决于当量热源的强度，它不仅取决于流体与固壁的温差、
流动速度和流体的热物理性质和输运性质，而且还取决于流体速度矢量与热流矢量的夹角。
（ 3）流体引起的当量热源可以为正，也可为负。所以流体流动可强化换热也可减弱换热（流体对固壁加热时，热源使换热强化，热汇使换热减弱，当流体冷却固壁时，热汇能使换热强化，而热源则使换热减弱）。
总之，对流换热并不一定高于纯导热的换热强度。严格的讲，对流换热并不是热量传递的基本模式，它只不过是流体在有运动情况下的导热问题。因为没有流动，
纯导热模式仍可以存在。而如果没有导热，对流换热的模式就无法存在。
对流换热的场协同原理
1998年清华大学过增元院士及其合作者对边界层型的流动进行了能量方程的分析,通过将该方程在热边界层内的积分,证明了减小速度矢量与温度梯度之间的夹角是强化对流换热的有效措施,这一思想在文献中现称为场协同原理 (field synergy principle，或者 field coordination principle)
现阶段仅限于单相流体
速度矢量与温度梯度的夹角的余弦值尽可能大，及两夹角 尽可能小（
）或 尽可能大（ ）
流体速度剖面和温度剖面尽可能均匀（在最大流速可温差一定条件下）
尽可能使三个标量场中的大值与大值搭配（使三个标量场中的大值尽可能同时出现在整个场中的某些区域,此时三个标量指速度绝对值，温度绝对值，夹角余弦场）
090
0180
场协同数
PrRe NuydTUFc?
（ 1）物理意义：速度场和温度场协同的程度
（ 2）对于我们比较熟知的换热情况，其协同程度远小于 1，甚至低 1～ 2个数量级
（ 3）典型的对流换热模式的场协同数随着雷诺数的增加而减少传统的强化传热理论 （单相）
减薄热边界层
增加流体中的扰动
增加壁面附近的速度梯度
壁面区和中心流体区的混合
二次流的形成和湍流强度以上技术取得广泛的应用，但普遍存在一个问题，及传热强化的同时，流动阻力（或功耗）的增加更多。我们可利用场协同理论来解决此问题。
场协同理论的数值验证
边界层型的流动与换热
有两个扰流子的平行板通道中的换热
插入有同心圆棒的圆管 中流体的流动换热
顺排翅片通道与平行平板通道的比较流体
二维叉排板换热,通道与平直通道的对比流体换热器中的场协同原理
换热器中冷热流体温度场间的协同越好，换热器的换热性能就越好
温差场均匀性原则的应用，提供了一种提高叉流换热器热性能的新方法 — 通过改善温差场的均匀性来强化叉流换热器的效能具体办法如下,
（ 1）传热面积的合理分配
（ 2） 改变流程间管道的联接多股流换热器传热有效度两股流换热器温差均匀性判断因子多股流换热器温差均匀性判断因子对于三股流五通道换热器，流体采用
ABCBA的排列方式时，在保持流量、入口温度、流体的排列等参数不变的情况下，
只是改变流体的流动方向，从而形成三种不同的工况,纯顺流工况一五通道流体同向流动 ;纯逆流工况一相邻通道流动方向相反 ;
混合流工况一中间三通道流动方向一致换热器中场协同小结：
对于两股流换热器，在入口参数相同的条件下，逆流的结构布置换热性能要好于顺流损失更小。然而，对于多股流换热器，由于多流体、多通道布置方式的多样性，使得温度场、速度场、温差场等场间协同变得更复杂，
对整个换热器换热性能的影响更加严重,
通过三个算例可以看出，流体组织结构的变化，将直接改变各个换热流体对的特性，这种特性不仅包括各股流体的温度变化，而且直接协变换热对的温差场，使其温差场的均匀性改变，从而导致该换热对的换热性能改善或恶化。
在多股流换热器中，由于这种多场协同作用，对于不同的流体组织结构，
可能会出现局部顺流 (混合流 )换热性能优于纯逆流的情况，甚至纯顺流换热性能优于纯逆流的情况。
温差场均匀性原则的提出为叉流换热器的强化提供了一种新的技术途径，
它与传统的强化传热技术相比，具有不产生明显的附加阻力损失等优点,
场协同强化传热研究所用的工具，方法
实验（传热性能、阻力性能）
数值模拟（利用功能强大的 CFD软件如 cfx、
fluent和 ansys结合计算机编程做研究）
数值模拟和试验相结合（现通过数值模拟计算出最佳和最差工况，然后再进行实验验证）
自己的一些感想体会
合理详尽的计划
要有顽强的毅力、敏锐的判断力和哲学的研究思维
多相互交流（讨论会，网上论坛，专业会议）
能迅速积累研究用的知识和能力（软件，编程，
专业课，数学，英语）
抽时间多陪一陪家人，它们为我们能完成学业牺牲奉献了太多
最后衷心感谢程老师给我们提供了良好的学习条件和研究氛围，我们应不遗余力的学习以不辜负他对我们的希望！！！！！
谢谢 大家 ！
