[科普中国]-非线性传热

振动强化传热由于需要外部能最而束能工业应用，流体诱导振动不需要外部能量，却被作为换热器运行过程中的事故而严格防止。因此提出了一种新的非线性传热元件，使流体诱导的振动既能够不断地进行，又不会导致元件的损坏。理论分析并实验研究了振动与传热特征，形成了利用流体诱导振动强化传热的新方法。

概念有限时间热力学研究的特点是强调性能系数与热力学输出率的协调。但实际热力系统工作时并不一定以热力学输出率为追求目标，比较实际的是以系统运行的利润率最大为目标。通过对两种非线性传热规律下卡诺热机的最佳利润与效率的关系的推导可知：

（1）最佳效率、利润率关系和最大利润率时的效率界限包括了有限时间热力学优化关系、性能界限和经典热力学界限，这是有限时间热力学与经济优化相结合的结果；

（2）不同的传热效率对内可逆卡诺循环的性能有很大影响，但最佳效率、利润率间的关系是普遍存在的，且均存在一个最大利润率点和两个零利润率点。

一种复杂非线性传热元件的传热及污垢特征研究背景换热器内流体诱导振动与传热表面积垢同属传热技术应用中长期得不到较好解决的世界性难题，但在换热器研究中分属不同领域，一直沿着各自的轨迹发展。将流体诱导振动与传热表面积垢关联起来，可以发现，振动不仅对传热具有强烈影响，而且对积垢的减少有着直接作用。问题的关键在于能否将流体诱导振动作为一种可资利用的能量表达方式在换热器内体现出来。

在机械振动强化传热的研究中已经发现，振动Rev数与流动Re数之比在一个较大的范围内(Rev/Re从0.01到100)，都有增加对流换热系数的趋势，对流换热系数的增加基本上与以外来能量诱导振动时的效果相同。相关文献详细地介绍了流体横向经过振动的单管及管排时的换热研究结果。在单排情况下，当传热面振动Re数小于1000时，未发现振动对传热有明显的影响；当Rev=103-2.2×103时，在圆周角β≥70°的圆管后面部分有较明显的传热增强，在β=90°-180°区间换热系数平均约增加19%，但在β=0°-90°的圆管前面部分，换热平均增加5.5%。机械振动强化传热在实验中取得了明显的效果，但是采用此方法所消耗的能量将比增强传热所获得的收益要高许多。

复合技术是一个倍受重视的强化传热领域，因为其换热系数的增加通常要比单独使用其中的任何一种技术高。对复合强化传热的研究涉及单相流与蒸汽冷凝等多相流，主要采用了带有扭转带插入物的内肋管或扭转带插入物加粗糙管、流化床中的肋化管等技术。这些方法主要强调了对流换热系数的增加，没有涉及污垢的影响。这无疑是一个不容忽视的缺陷。污垢对传热系数的影响有时是决定性的。假如不能有效地控制污垢生成的话，换热器运行过程中对流换热系数的提高并不意味着传热系数的必然提高，因为过分增长的污垢热阻会轻而易举地将对流换热系数提高的效果加以抵消。利用流体诱导振动强化传热的最大诱惑来自于它能够在提高对流换热系数的同时降低污垢热阻，实现复合强化传热。

研究结果流体诱导振动不需要外来能量，虽然振动可能使流体阻力系数增加，但传热表面振动的传热系数似乎并不太依赖流体的流速，选择较小的流速，使流体诱导振动在相同的传热系数下与无振动时相比，能耗可能会更低。流体诱导复杂非线性传热元件所产生的面内振动与面外振动，不仅有效地提高了对流换热系数，而且有效地降低了污垢热阻，使换热器的传热系数有较大幅度的提高，为强化传热提供了一种新的形式。复杂非线性传热元件在管外水流诱导振动下，管外对流换热系数一般比同一进水的Re数下固定管束的管外平均对流换热系数提高200%以上，污垢热阻降低75%。1

复合材料层合结构的非线性传热分析研究背景复合材料传热分析的主要内容是考虑强热各向异性，对复合材料结构的热传递进行稳态和瞬态计算。复合材料由于具有强的热各向异性、非均质性、非线性、热耦合性等特点，与各向同性结构相比，复合材料结构的热传导分析是一项十分复杂的工作。作者从微元热传导的热流平衡方程和Fourier热传导定律出发，提出了新的一阶和高阶热层合理论及有限元算法，有效地解决了复合材料层合结构的传热分析问题。但是，新的热层合理论是建立在复合材料热物性不随温度变化的基本假定之上，即只限于研究线性热传导问题。实际上，上述假定对于每种复合材料都只在特定的温度使用范围内才是正确的，如树脂基复合材料为 300℃，而石墨酚醛复合材料的使用温度高达数千度。而有一些复合材料的热物性只在较小的温度范围内不随温度变化，一旦超过这个温度界限，则表现出强烈的热非线性行为。对复合材料结构的非线性热传导问题研究较少，尚无十分简便有效的计算方法，可提供利用的结果也很少。

复合材料的热物性参数主要是指材料的热导率、对流换热系数和比热容。一般情况下，大多数复合材料的比热容随着温度的升高而增大，而热导率则随着温度的升高而减小。

研究结果材料的热物性(复合材料的热导率、对流换热系数及比热容)对复合材料层合板非线性热传导有显著的影响。因而，在进行重要的受热复合材料结构设计时，材料热物性的非线性不容忽略。研究了复合材料热物性参数(热传导率、对流换热系数和比热容 )随温度变化的非线性热传导问题，基于一阶热层合理论，给出了复合材料层合板瞬态温度场分析的有限元方程及逐步积分算法。数值算例表明材料非线性对复合材料层合板的温度分布有显著影响。值得指出的是，按照本文方法并不难导出基于高阶热层合理论、考虑材料非线性时层合板瞬态或稳态温度场分析的非线性高阶热层合理论及其有限元方程。2

本词条内容贡献者为:

王强 - 副教授 - 西南大学