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流体流动场协同原理及其在减阻中的应用

流体流动场协同原理及其在减阻中的应用

斜学屯矗 20年第 5卷第 4 08 3期: 8 42 49 9

<中国科学>杂志社 S E E CH NAP S CI NC l N I RE S

流体流动场协同原理及其在减阻中的应用 陈群,任建勋,过增元 清华大学工程力学系,北京 10 8 00 4联系人, - i rx sn h ael. E mal j@tig u . uc: x n 20 .1O 0 71 .1收稿, 0 7 1.7接受 2 0 .22

摘要

为了分析流体流动过程,降低流动阻力,提出了流动速度与速度梯度在整个流动

关键词 场协同 优化最小机械能耗散

区域内协同的概念,为流体在流动过程中所受的阻力不仅受流动速度和速度梯度的影认 械能耗散原理,认为在整个流动区域内,流动速度与速度梯度的协同程度越低,流体流动过程中的黏性耗散越小,流体阻力也越小.同时,据最小机械能耗散原理,在一定约根 束条件下对黏性耗散函数求极值,得了流体流动场协同方程,求解场协同方程获得了获

响,同时也取决于它们之间的协同程度 .此基础上,提出了流体流动过程中的最小机流动减阻在

最佳流场,使流体在流动过程中的黏性耗散取最小值,动阻力最低.最后,以并联管路流的流量分配为例,根据最小机械能耗散原理对速度分配器进行了优化设计,降低流体在 并联管路中的流动阻力.

流动减阻是流体力学中的一项基础研究,在众

的联系 .另外,为了在给定约束条件下优化流动过

多领域都有重要应用价值 .到目前为止,研究人员提程,本文根据最小机械能耗散原理,建立了流动场

出了多种流阻减阻技术 .于外流,为了降低流动阻协同方程 .通过求解该场协同方程,可以得到最佳对力,通常将物体设计成流线型或者提高物体的表面流场,使得流体流动阻力最小 .该方法为流动减阻粗糙度来延迟边界层分离;对于内流,则是在弯管内技术的研究提供了理论指导 .最后,本研究以并联 插入导流板来避免二次流的出现,在流体中添加聚管路的流量分配为例,介绍了场协同理论在流动流合物来增加层流底层的厚度…以及设计微肋表面达阻中的应用 . 到流动减阻的目的[4然而,目前大部分流动减阻 21 -

1流体流动的场协同原

技术的提出都是依靠经验,设计时缺少统一的理论 指导.

为了强化换热, u G o等人 l引入了对流换热区域 5 中速度场和温度场协同的概念,并提出了场协同原理,为在给定流体流量和泵功的前提下,提高场协认同度可以提高系统的对流换热能力 .目前,对流换热

对于二维平板边界层流动,在整个热边界层内 对能量守恒方程求积分,同时考虑边界层外的热边

界条件 (/ =,可以得到【】 a ) 0 5 .一 l、

fP (. )= 1 c V d一 0 l t P Ty ̄ t, x, w

( 1 )

过程中场协同原理已通过数值计算和实验的办法得 到了验证 l o川.

基于动量传递和热量传递的相似性,本研究首 先回顾了对流换热过程中的场协同原理,然后介绍

式中p为密度, c为定压比热容,为速度矢量,为温 度,为导热系数,为热边界层在截面处的厚度. 轧 ()等号右边为流体与固体表面间的换热量,等号 1式左边为速度矢量和温度梯度的点积,可以写为:

了流体流动过程中场协同的概念,它代表了流体在整个流动区域内速度场和速度梯度场的协同程度 . 在此基础上,讨论了流动阻力和流动场协同度之间 WWW. cc n .om s ihiac c http://www.wenkuxiazai.comhn c s s i ia.om

pp V )= 0 pp IT Opy 2 c( Td cII ISd,( y UV C ) 式中为速度矢量和温度梯度之间的夹角.可见,对 4 9 8

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