[发明专利]通过颗粒相互作用增强的边界层传热

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年10月17日提交的、名为“ENHANCED BOUNDARY LAYER HEAT TRANSFER BY PARTICLE INTERACTION”的美国专利申请第13/13/654,369号的优先权，该申请的内容通过引用并入本文。

发明领域

本申请涉及通过降低边界层滞止传热分布(heat transfer profile)的作用来增加热流体的传热的方法。具体地，本发明涉及将具有专用的尺寸和形状的颗粒加入流体中，以增加传热。

发明背景

进入流体中的传热涉及两个主体之间的因温差引起的能量传递。例如，用于加热流体的热交换器设计通常由高传导性材料，例如含有流经其内部的流体的金属管构成，其中从外部加热所述管。热量通过传导穿过金属管，通过传导穿过边界层进入液体，最后通过对流进入本体流体中。

改进传热的尝试包括板框式热交换器、壳管式热交换器，以及一系列不同的翅片构造以用于更有效地辐射或吸收热量。

另外，已经实现了基于流体流动的改进以加速传热。实例包括并流流动，其??中流体的两个最热点和最冷点按相同的方向在热交换器中一起流动。与此相反，逆流装置使流体的最热点和最冷点按相反的方向流动，这在两种流体之间产生了最大温度差。温度差越大，导致的热交换器的传热效率越高。

流体速度对传热具有显著的影响。例如，层流流动传热机构具有低于湍流流动热交换器的传热。因此，如果被加热的材料能够承受湍流而不降解而且如果湍流是经济上可行的，则相比于层流热交换器，湍流传热交换器是优选的。

所有流动的流体具有壁效应(wall effect)或边界层效应，其中流体速度在与容器(如管)壁的接触点处大大降低。降低的流体速度阻碍了传热效率。

边界层的进一步解释如下。空气动力以复杂的方式取决于流体的粘度。当流体经过物体移动时，邻近于该物体的表面的分子粘着于该表面。在该物体表面的正上方的流动的流体分子通过在其与粘着于该表面的流体分子的碰撞中变慢。这些变慢的分子进而减缓了在它们正上方的流动。离该物体的表面的距离越大，受该物体的表面影响的碰撞的次数越少。这种现象导致在该表面附近产生流体的薄层，在其中速度从该表面处的零变化至在远离该表面一段距离处的自由物流的值。因为该层出现在流体的边界上，所以该薄层被称为边界层。

当物体穿过流体移动时，或当流体经过物体移动时，在该物体附近的流体分子被扰乱并围绕该物体移动。在流体和物体之间产生了空气动力。这些力的量级取决于该物体的形状、该物体的速度、流经该物体的流体的质量。另外，流体的另外两个重要性质影响着空气动力的量级，即，流体的粘度或粘性和可压缩性或弹性。为了正确地模拟这些效应，航空工程师使用相似度参数(similarity parameter)，其是这些效应与存在于问题中的其它力的比率。如果两个实验对于此相似度参数具有相同的值，则该力的相对重要性被正确地模拟。

图1示出了流向速度从自由物流到表面的变化。在现实中，效应是三维的。从在三个维度中的质量守恒出发，在流向方向中的速度变化也引起了在其它方向中的速度变化。如上所解释的，存在垂直于表面的速度的小分量，此分量使在其上方的流动发生位移或移动。边界层的厚度可以被定义为该位移的量。位移厚度取决于雷诺数，所述雷诺数是惯性力(抵抗变化或运动)对粘性力(重的和胶状的)的比率，由以下等式给出：

雷诺数(Re)等于速度(V)乘以密度(r)乘以特性长度(l)除以粘度系数(mu)，即Re= V * R * 1 /mu。

如在图1中可以看出，边界层可以是层流(即分层的)或湍流(即无序的)，这取决于雷诺数的值。对于较低的雷诺数，边界层是层流并且当其远离壁移动时流向速度均匀地变化，如图1的左侧上所示的。对于较高的雷诺数，边界层是湍流并且流向速度的特性在于边界层内部的不稳定(即，随时间变化)的旋流流动。外部流动对边界层的边缘做出反应，正如其对物体的物理表面作出反应那样。因此，该边界层赋予任何物体“有效”的形状，该形状通常与物理形状略有不同。边界层可能上提脱离(lift off)主体或与主体“分离”并建立远不同于物理形状的有效形状。因为相对于自由物流边界层中的流动具有非常低的能量，而且更容易被压力变化驱动，所以发生了流动分离。流动分离是飞机机翼在大迎角下失速的原因。在数学上，边界层对升力的影响通过升力系数表达，并且对阻力的影响通过阻力系数表达。