浅议热力传热中的摩擦阻力传热

摘 要：和外界不进行热交换的热力系统称为绝热系统。和外界既无能量交换又无物质交换的系统称为孤立系统。和外界只交换热量和一种形式的准静态功的系统称为简单系统。在简单系统中，表面现象、重力、电和磁的效应都不呈现出来。绝对的绝热系统和孤立系统是不存在的。孤立系统一定是闭口的和绝热的，但闭口系统或绝热系统不一定都是孤立的。热力系统在某一瞬间所处的宏观物理状况称为系统的状态。状态的概念要通过系统的变量来表征。

关键词：热力 传热 摩擦阻力

一、摩擦阻力与传热

无论是静摩擦力，还是滑动摩擦力，都可以做正功，也可以做负功，还可以不做功。但是，并不是所有摩擦力的功都能将机械能转化为内能而产生热量。静摩擦力的功只起转移机械能的作用，不会产生热量。 静摩擦力产生在两个相对静止但有相对运动趋势的物体之间。显然这样的两个物体必然具有相同的速度、加速度、位移等。滑动摩擦力的功一方面传递机械能，同时另一方面将部分机械能转化为内能，从而产生热量，导致相互摩擦的物体发热。

我们已经看到，温度和流场有关系。现在，摩擦阻力可直接与热传递相关。在墙壁上的剪切应力可能用一个摩擦系数来表示，被称为雷诺尔系数，表示流体之间的摩擦关系和在平板上的层流的热传递。传热系数因此可以通过摩擦阻力的测量来确定，在其中没有热传递是前提条件。事实证明，也可以应用到紊流上的平板流动。它并不适用于层流管流。在一般情况下，在传热流体的摩擦类推中控制方程是必要的，其结果的新的应用并不总是取决于方程的简单形式。有关这一问题的详细解释需要进一步探讨。在这一点上，采用简单的方法来扩大我们所了解的对流概念，传热和粘性传输过程同时在微观和宏观层面有关。

在边界层湍流核心的粘度可高达经验层的分子值的100倍，涡流扩散热较分子扩散系数也增大。考虑到在整个边界普朗特数的影响，对测量结果进行加权平均是必要的，而且事实证明，使用加权平均的效果非常好。因此，我们将立足我们的计算结果，将我们需要的实验值进行比照，为湍流边界层层流的计算提供条件。施利希廷进行了紊流平板摩擦系数的实验测量。我们目前的调查结果是在湍流传热与流体摩擦传热的计算中采用类比的方法。当地表面摩擦系数通过公式式得到雷诺数。在高雷诺数情况下舒尔茨以自由流温度评估所有属性。对于气体的粘度比下降和性能进行薄膜温度的评估。

二、湍流边界层传热

在层流边界层的处理中，只要粘性耗散项可以忽略不计，则能量方程就有着与动量方程相同的数学形式。这时，能量方程的解可直接引用动量方程的解。 在湍流边界层的处理中，我们已经有了动量方程的解。仿层流边界层中能量方程的解法，我们似乎也可以走直接引用湍流动量方程的解的解决途径。 与湍流动量方程一样，湍流能量方程中也有着类似的“封闭”问题。我们可以提出一种模型，以解决湍流能量方程存在着的“封闭”问题的过程中；我们也可以直接引用湍流动量方程解决封闭问题的结论，考察湍流能量方程的类似结论与湍流动量结论之间的关系。雷诺比拟就属于后一种处理方法。

考虑一个紊流边界层的一部分薄区在板表面附近具有层状字符，而粘性作用和传热取放置在像那些层流状态下其分子粘性作用和热传导仍然是重要的。这个区域被称为缓冲层。流动状态是完全湍流，并且主动量和热量交换湍流区我们具有一定的涡粘性和涡流热导率。这些涡流特性可能是分子的值的10至20倍大。紊流热传递的物理机制是非常相似的，在层流；的主要区别在于，涡流特性不具有普通的热导率和粘度。分析的主要困难是，这些涡流特性在边界层发生变化，具体变化可以由实验数据来确定。这是重要的一点。所有紊流的分析最终必须依靠实验数据，因为没有完全充分的理论来预测湍流的行为。如果一个人观察瞬时宏观速度的紊流系统，作为测量值这是不正确的，瞬时速度因此是波动的，受到湍流剪切应力的影响。

在壁面附近，热量传递和动量传递之间关于相似的全部概念，当有压力梯度时就失灵了，也就是说，这时的雷诺比拟关系就不复存在。正常分析分子的传热问题的方法之一是引入平均自由方程，或采用粒子之间进行碰撞的平均距离。普朗特引入了一个类似的概念来描述湍流现象。普朗特混合长度是平均距离，平均湍流流体在一个方向上垂直于平均流动。两个壁面定律本身，对于整个边界层是两个合理的近似――壁面定律显然不能推广到整个边界层，但传热问题却必须涉及到整个边界层。如果壁是多孔的，并且有流体“吹出”边界层，或从边界层中“抽吸”流体。采用散逸这个名称，作为在表面有吹出、吸入、喷射、表面处有质量传递等情况的相互可替换的一般性描述。 散逸改变了湍流边界层的分布，它有两种主要的技术应用领域，即散逸冷却与传质。通过多孔表面的正散逸或吹出，提供对固体表面一种很有效的冷却方法，以起到保护固体表面免受炽热主流流体的作用。散逸的流体，不仅通过表面吸收热能，而且散逸具有显著降低传热速率的作用。

三、湍流边界层厚度

实验研究已经表明，在湍流的速度分布边界层的层流底层以外，采用普朗特混合长度解决方案，特别注意到：对于动量方程，粘性底层的消失，意味着切应力向壁面的传递，必须依靠别的不同的机制，之前的公式不再有效。在湍流边界层中，除因层流之间相对位移而引起的摩擦切应力 之外，还由于流体质点的不规则运动在层流之间必然要引起的传递过程。以动量传递为例，这种由于湍流混合而引起的切应力称为湍流切应力。

参考文献

[1] 史里希廷H著，边界层理论[M]，北京：科学出版社，2008

[2] 陈涛，张小国.化工传递过程基础[M]，（第三版）.北京： 化学工业出版社，2009.