加热或冷却表面的流体会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。
无论是水流过工厂中的冷凝器板，还是流过加热和冷却管道的空气，流体在平坦表面上的流动都是现代生活中许多过程的核心现象。然而，一项新的分析表明，人们对这一过程的各个方面了解甚少，而且某些世代工程专业的学生对这些方面的认识不正确。
这项研究检查了数十年来发表的有关流体流动的研究和分析。研究发现，尽管大多数传热学的本科教科书和课堂教学都将这种流动描述为具有两个由突然转变分隔开的不同区域，但实际上却存在三个截然不同的区域。研究人员说，一个较长的过渡区与第一和最后一个区一样重要。
差异与流体流动的两种不同方式之间的转换有关。当水或空气开始沿平坦的固体薄片流动时，会形成薄的边界层。在该层内，最靠近表面的部分由于摩擦而几乎不移动，位于上方的部分流动得更快一些，依此类推，直到它以原始流的全速运动为止。跨薄边界层的速度的这种逐渐稳定的增长称为层流。但是随着进一步的下降，气流发生变化，分解为混乱的涡流和涡流，称为涡流。
边界层的属性决定了流体的传热能力，这对于许多冷却过程（例如高性能计算机，海水淡化厂或发电厂冷凝器）至关重要。
已经教导学生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与机械工程学教授Abdul Lateef Jameel的约翰·利恩哈德（John Lienhard）对发布的实验数据进行了仔细的分析，发现这张照片忽略了过程的重要部分。研究结果刚刚发表在《热传递杂志》上。
利恩哈德（Lienhard）对传热数据的审查显示，层流和湍流之间存在明显的过渡带。该过渡区对热流的阻力在其他两个区之间逐渐变化，并且该区与之前的层流区一样长且与众不同。
Lienhard说，这些发现可能会对从用于脱盐或其他工业规模过程的热交换器的设计到了解通过喷气发动机的空气流动等所有方面产生影响。
实际上，尽管如此，大多数从事此类系统工作的工程师都知道存在一个较长的过渡区，即使在本科教材中也没有，过渡区的存在，Lienhard指出。现在，通过澄清和量化过渡，该研究将有助于使理论和教学与现实世界的工程实践保持一致。他说：“过去60或70年间，突然转变的观念已在传热教科书和教室中根深蒂固。”
理解沿平面流动的基本公式是所有更复杂流动情况的基本基础，例如弯曲飞机机翼或涡轮叶片上的气流，或者当航天器重新进入大气层时对其进行冷却。利恩哈德说：“平坦的表面是了解任何事物如何工作的起点。”
平面理论是由德国研究员恩斯特·波尔豪森（Ernst Pohlhausen）在1921年提出的。但是即使如此，“实验室实验通常还是不符合理论所假设的边界条件。他说：“实验室板的边缘可能呈圆形或温度不均匀，因此1940年代，50年代和60年代的研究人员经常'调整'他们的数据，以使该理论与实验结果相符。”否则，好的数据与该理论之间的差异也导致了传热文献专家之间的激烈争论。
利恩哈德（Lienhard）发现，英国航空部的研究人员在1931年发现并部分解决了表面温度不均匀的问题。他说：“但是他们无法完全解决他们得出的方程式。”“那要等到从1949年开始使用数字计算机。”同时，专家之间的争论之以鼻。
利恩哈德说，他决定看一下所教方程的实验基础，意识到研究人员数十年来已经知道过渡起着重要作用。“我想用这些方程式绘制数据。这样一来，学生就可以了解这些方程式在工作中的成功与否。”他说。“从1930年开始，我一直在研究实验文献。收集这些数据非常清楚：我们在教的东西简直太过简单了。”流体流动描述中的差异意味着有时无法进行传热计算。
现在，通过这种新的分析，工程师和学生将能够在非常广泛的流动条件和流体中准确地计算温度和热流，Lienhard说。
佐治亚理工学院机械工程学教授安德烈·费多罗夫（Andrei Fedorov）表示：“由于缺乏对基本物理学的基本原理的了解，对流体从层流过渡到湍流区域的传热系数的预测一直是一项重大的科学挑战。” ，谁没有参与这项工作。他补充说，Lienhard“仔细地梳理了不同研究人员数十年来发布的关于过渡区域的一系列不同的实验数据，并以惊人的预测力得出了涵盖整个流量范围的传热系数的有效关联。从层流向湍流过渡。”
弗吉尼亚理工大学机械工程系名誉教授罗伯特·马汉（Robert Mahan）也不参与这项工作。他说，列恩哈德（Lienhard）指出并解决了古典文学中的矛盾，这种矛盾已经解决了超过一个世纪了。当学术尘埃从这种短暂而强大的旋风中沉淀下来时，毫无疑问，认真的学者和实践工程师将使用此贡献中呈现的最新关联性来预测平板的热传递。
参考：John H. Lienhard.URI：“平板边界层中的传热：层流，过渡流和湍流的相关性”：
1721.1/124894
