[论文解读] Reflections on a Penetration Theory of Turbulent Heat Transfer

Trinh Khanh Tuoc|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2010

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 40被引用 5

一句话总结

本文提出了一种改进的湍流传热渗透理论，通过解耦动量与热力时间尺度：动量时间尺度基于壁面喷射的起始时刻，而热力时间尺度则采用非定常热扩散进入流向流动的过程，而非涡团更新。该模型成功关联了热边界层厚度与努塞尔数的实验数据，相较于传统模型具有更高的物理解释一致性。

ABSTRACT

This paper discusses a modified penetration theory where the time scale for the momentum wall layer is based on the onset of ejections from the wall but the time scale for the thermal layer is based on the unsteady state diffusion of heat from the wall into the streamwise flow, not the renewal of heat from eddies penetrating the wall layer. A method for the determination of the thickness of the thermal wall layer has been developed. The theory correlates adequately experimental data for both the thickness of the thermal wall layer and the Nusselt number. Key words: Heat transfer, penetration theory, turbulence, time scales.

研究动机与目标

• 通过重新定义热力时间尺度，发展一种物理解释一致的湍流传热渗透理论。
• 解决经典渗透理论中依赖涡团更新机制进行传热所存在的局限性。
• 改善对热边界层厚度与努塞尔数实验数据的关联性。
• 基于非定常热扩散而非涡团渗透，建立热力壁面层的时间尺度。

提出的方法

• 基于观测到的喷发动力学，从壁面喷射起始时刻推导动量壁面层时间尺度。
• 采用壁面向流向流动中非定常热扩散过程建模热力壁面层时间尺度，而非涡团更新。
• 基于推导出的时间尺度与扩散特性，提出一种确定热边界层厚度的方法。
• 利用热力时间尺度通过量纲分析预测热边界层厚度与努塞尔数。
• 通过将预测结果与热边界层厚度及努塞尔数的实验数据对比，对模型进行验证。
• 该方法避免了瞬时涡团更新的假设，转而将近壁面传热建模为以扩散为主导的过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何重新定义渗透理论中的热力时间尺度，以更准确反映湍流中传热的物理机制？
• RQ2 采用非定常热扩散而非涡团更新对热边界层厚度预测有何影响？
• RQ3 对动量与热力时间尺度进行解耦处理，能否提升与实验努塞尔数数据的一致性？
• RQ4 所提出的热边界层厚度确定方法与现有经验与理论模型相比表现如何？
• RQ5 改进后的理论是否在保持物理解释一致性的同时，提升了湍流传热的预测准确性？

主要发现

• 基于非定常热扩散的热力时间尺度，相较于涡团更新模型，能更物理解释地描述近壁面传热过程。
• 该模型在不同流动条件下，成功关联了热边界层厚度与努塞尔数的实验数据。
• 所推导的热边界层厚度确定方法提供了一个与湍流传热中观测趋势一致的预测框架。
• 动量与热力时间尺度的解耦提升了渗透理论的理论基础，同时未牺牲预测准确性。
• 通过用基于扩散的时间尺度替代瞬时涡团更新的假设，该理论在物理上更具合理性。
• 结果证实，热力层的发展受非定常扩散过程主导，而非周期性涡团渗透。