作者:大卫·L
麻省理工学院钱德勒 加热或冷却表面的流体从平滑流动过渡到混合湍流
麻省理工学院的一项新分析显示了过渡区对热流和温度控制的重要性
学分:由研究人员提供，麻省理工学院新闻编辑 无论是流经工厂冷凝板的水，还是流经加热和冷却管道的空气，流经平面的流体都是现代生活许多过程的核心现象
然而，一项新的分析显示，人们对这一过程的某些方面知之甚少，一些方面被错误地传授给了几代工科学生
这项研究检查了几十年来发表的关于流体流动的研究和分析
研究发现，尽管大多数本科生教材和课堂教学都将这种流动描述为由一个突变区分开的两个不同的区域，但实际上有三个不同的区域
研究人员说，一个漫长的过渡区与第一个和最后一个过渡区一样重要
这种差异与两种不同的流体流动方式有关
当水或空气开始沿着平坦的固体薄片流动时，就会形成一个薄的边界层
在这一层中，最靠近表面的部分几乎不会因为摩擦而移动，在上面的部分流动得更快，以此类推，直到它以原始流动的全速移动
这种穿过薄边界层的速度的稳定、逐渐的增加被称为层流
但是进一步向下游，气流发生变化，分裂成混乱的漩涡和漩涡，称为湍流
这种边界层的性质决定了流体的传热性能，这是许多冷却过程的关键，例如高性能计算机、海水淡化厂或电厂冷凝器
学生们被教导要计算这种流动的特性，就像从层流突然变成湍流一样
但是麻省理工学院水和机械工程的阿卜杜勒·拉蒂夫·贾米尔教授约翰·莲哈德仔细分析了已发表的实验数据，发现这张照片忽略了这个过程的一个重要部分
这项发现刚刚发表在《传热杂志》上
莲哈德对传热数据的回顾揭示了层流和湍流之间的一个重要的过渡区
该过渡区对热流的阻力在其他两个区域之间逐渐变化，该区域与它之前的层流区一样长，一样独特
莲哈德说，这项发现可能会对从海水淡化或其他工业规模过程的热交换器设计，到理解通过喷气发动机的空气流动的一切都有潜在的影响
然而，事实上，大多数研究这类系统的工程师都明白存在一个长的过渡带，即使本科课本上没有，莲恩哈德指出
现在，通过澄清和量化过渡，这项研究将有助于使理论和教学与现实世界的工程实践相一致
“在过去的60或70年里，突然转变的概念已经在传热教科书和教室中根深蒂固，”他说
理解沿平面流动的基本公式是所有更复杂的流动情况的基础，如飞机机翼或涡轮叶片弯曲时的气流，或航天器重返大气层时的冷却
“平坦的表面是理解这些东西如何工作的起点，”莲恩哈德说
平面理论是由德国研究员恩斯特·波尔豪森于1921年提出的
但即便如此，“实验室实验通常不符合理论假设的边界条件
他说:“实验室的盘子可能有圆形边缘或者温度不均匀，所以20世纪40年代、50年代和60年代的研究人员经常‘调整’他们的数据，迫使他们同意这个理论。”
其他好的数据和这一理论之间的差异也导致了传热文献专家之间的激烈分歧
莲恩哈德发现，英国航空部的研究人员已经在1931年发现并部分解决了表面温度不均匀的问题
“但是他们不能完全解决他们推导出的方程，”他说
从1949年开始，这要等到数字计算机可以使用的时候
“与此同时，专家之间的争论正在升温
莲恩哈德说，他决定看看正在教授的方程的实验基础，意识到研究人员几十年来已经知道转变起了重要作用
“我想用这些方程来绘制数据
这样，学生们就可以看到这些方程有多有效，有多无效，”他说
“我一直看着1930年的实验文献
收集这些数据让事情变得非常清楚:我们所教的东西过于简单化了
流体流动描述中的差异意味着传热计算有时是错误的
现在，有了这项新的分析，工程师和学生将能够在非常广泛的流动条件和流体范围内准确计算温度和热流，莲哈德说
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