Lærebogsformler til beskrivelse af varmestrømskarakteristika, afgørende i mange brancher, er forsimplet, undersøgelse viser

Uanset om det er vand, der strømmer hen over en kondensatorplade i et industrianlæg, eller luft, der suser gennem varme- og kølekanaler, strømmen af ​​væske over flade overflader er et fænomen i hjertet af mange af processerne i det moderne liv. Endnu, aspekter af denne proces er blevet dårligt forstået, og nogle er blevet forkert undervist i generationer af ingeniørstuderende, viser en ny analyse.

Undersøgelsen undersøgte flere årtiers publiceret forskning og analyse af væskestrømme. Den fandt, at mens de fleste bachelorbøger og undervisning i klasseværelset i varmeoverførsel beskriver en sådan strømning som at have to forskellige zoner adskilt af en pludselig overgang, faktisk er der tre forskellige zoner. En længere overgangszone er lige så vigtig som den første og sidste zone, siger forskerne.

Uoverensstemmelsen har at gøre med skiftet mellem to forskellige måder, som væsker kan flyde på. Når vand eller luft begynder at strømme langs en flad, massivt ark, dannes et tyndt grænselag. Inden for dette lag, den del tættest på overfladen bevæger sig næsten ikke på grund af friktion, den del lige over, der flyder lidt hurtigere, og så videre, indtil et punkt, hvor det bevæger sig ved den fulde hastighed af det originale flow. denne stabile, gradvis stigning i hastigheden over et tyndt grænselag kaldes laminær strømning. Men længere nede, strømmen ændres, bryde op i de kaotiske hvirvler og hvirvler kendt som turbulent flow.

Egenskaberne af dette grænselag bestemmer, hvor godt væsken kan overføre varme, som er nøglen til mange køleprocesser, såsom højtydende computere, afsaltningsanlæg, eller kraftværkskondensatorer.

Eleverne er blevet lært at beregne egenskaberne ved sådanne strømme, som om der var en pludselig ændring fra laminær strømning til turbulent strømning. Men John Lienhard, Abdul Lateef Jameel professor i vand og maskinteknik ved MIT, lavede en omhyggelig analyse af offentliggjorte eksperimentelle data og fandt ud af, at dette billede ignorerer en vigtig del af processen. Resultaterne blev netop offentliggjort i Journal of Heat Transfer .

Lienhards gennemgang af varmeoverførselsdata afslører en betydelig overgangszone mellem de laminære og turbulente strømninger. Denne overgangszones modstand mod varmestrøm varierer gradvist mellem de to andre zoners modstand, og zonen er lige så lang og karakteristisk som den laminære strømningszone, der går forud for den.

Resultaterne kan potentielt have konsekvenser for alt fra design af varmevekslere til afsaltning eller andre processer i industriel skala, at forstå strømmen af ​​luft gennem jetmotorer, siger Lienhard.

Faktisk, selvom, de fleste ingeniører, der arbejder på sådanne systemer, forstår eksistensen af ​​en lang overgangszone, selvom det ikke er i bachelorbøgerne, Lienhard bemærker. Nu, ved at præcisere og kvantificere overgangen, denne undersøgelse vil hjælpe med at bringe teori og undervisning i overensstemmelse med den virkelige ingeniørpraksis. "Forestillingen om en brat overgang har været indgroet i varmeoverførselslærebøger og klasseværelser i de sidste 60 eller 70 år, " han siger.

De grundlæggende formler for at forstå flow langs en flad overflade er de grundlæggende fundamenter for alle de mere komplekse strømningssituationer såsom luftstrøm over en buet flyvinge eller turbinevinge, eller til afkøling af rumfartøjer, når de kommer ind i atmosfæren igen. "Den flade overflade er udgangspunktet for at forstå, hvordan nogen af ​​disse ting fungerer, siger Lienhard.

Teorien for flade overflader blev opstillet af den tyske forsker Ernst Pohlhausen i 1921. Men alligevel, "Laboratorieeksperimenter matchede normalt ikke de grænsebetingelser, teorien antog. En laboratorieplade kan have en afrundet kant eller en uensartet temperatur, så efterforskere i 1940'erne, 50'erne, og 60'erne 'justerede' ofte deres data for at fremtvinge enighed med denne teori, " siger han. Uoverensstemmelser mellem ellers gode data og denne teori førte også til ophedede uenigheder blandt specialister i varmeoverførselslitteraturen.

Lienhard fandt ud af, at forskere fra det britiske luftministerium havde identificeret og delvist løst problemet med uensartede overfladetemperaturer i 1931. "Men de var ikke i stand til fuldt ud at løse den ligning, de udledte, "siger han." Det måtte vente, indtil digitale computere kunne bruges, starter i 1949." I mellemtiden, argumenterne mellem specialister ulmede videre.

Lienhard siger, at han besluttede at tage et kig på forsøgsgrundlaget for de ligninger, der blev undervist i, indse, at forskere i årtier har vidst, at overgangen spillede en væsentlig rolle. "Jeg ønskede at plotte data med disse ligninger. På den måde, eleverne kunne se, hvor godt ligningerne fungerede eller ikke virkede, "sagde han." Jeg kiggede på den eksperimentelle litteratur helt tilbage til 1930. Indsamling af disse data gjorde noget meget klart:Det vi underviste var frygteligt forenklet. "Og uoverensstemmelsen i beskrivelsen af ​​væskestrøm betød, at beregninger af varmeoverførsel var nogle gange af.

Nu, med denne nye analyse, ingeniører og studerende vil være i stand til at beregne temperatur og varmestrøm nøjagtigt over en meget bred vifte af strømningsforhold og væsker, siger Lienhard.