趙征 汪一舟

摘 要：工業(yè)現(xiàn)代化趨勢(shì)下，機(jī)械設(shè)備在實(shí)踐生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。其中換熱設(shè)備能夠?qū)崃繌臒崃黧w傳遞到冷流體當(dāng)中，以滿足生產(chǎn)需求。隨著生產(chǎn)技術(shù)不斷發(fā)展，人們對(duì)換熱設(shè)備傳熱性能提出了更高要求，將計(jì)算傳熱學(xué)應(yīng)用到設(shè)備傳熱研究中，能夠提高傳熱效果，且能夠提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。文章從計(jì)算傳熱學(xué)概念入手，對(duì)計(jì)算傳熱學(xué)在工程應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并提出計(jì)算熱傳學(xué)在實(shí)踐應(yīng)用中未來發(fā)展趨勢(shì)及方向。

關(guān)鍵詞：計(jì)算傳熱學(xué)；工程換熱設(shè)備；傳熱研究；運(yùn)用

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，我國(guó)各領(lǐng)域得到了長(zhǎng)足發(fā)展。計(jì)算傳熱學(xué)作為一門新興學(xué)科，主要涉及熱傳導(dǎo)、對(duì)流傳熱等內(nèi)容，為工程換熱設(shè)備傳熱研究提供了極大的支持。在實(shí)踐應(yīng)用中，將計(jì)算技術(shù)、仿真技術(shù)有機(jī)整合到一起，能夠根據(jù)具體情況實(shí)現(xiàn)良好的熱能交換，提高生產(chǎn)有效性。

1 計(jì)算熱傳學(xué)概述

所謂計(jì)算熱傳學(xué)，是指對(duì)流動(dòng)與傳熱問題的控制方式，并利用數(shù)值解值法對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解的一門學(xué)科。它主要是研究傳熱學(xué)四大模塊，即熱傳導(dǎo)、對(duì)流傳熱及輻射傳熱等內(nèi)容，其中流體力學(xué)理論與成果是學(xué)科研究的重要前提和基礎(chǔ)。計(jì)算傳熱學(xué)發(fā)展之前，受到計(jì)算方法、硬件發(fā)展的限制，使得研究停留在單元熱傳遞方面，沒有實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步拓展[1]。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，針對(duì)大型、復(fù)雜流動(dòng)換熱設(shè)備物流過程給予了更多關(guān)注和研究，在很大程度上突破了以往研究局限性，促進(jìn)學(xué)科研究邁向全新的領(lǐng)域和方向。

2 計(jì)算傳熱學(xué)在工程應(yīng)用現(xiàn)狀

自上個(gè)世紀(jì)30年代以來，Thom首次利用手搖計(jì)算機(jī)完成外掠圓柱流動(dòng)數(shù)值計(jì)算，為計(jì)算傳熱學(xué)規(guī)?；瘧?yīng)用提供了極大的支持。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，越來越多的學(xué)者對(duì)計(jì)算傳熱學(xué)實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生興趣，并集中對(duì)換熱設(shè)備內(nèi)部流動(dòng)與傳熱耦合問題進(jìn)行了深入研究。如B.M.Burnside構(gòu)建再熱鍋爐二維數(shù)值計(jì)算模型，通過數(shù)值計(jì)算，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果能夠?qū)﹀仩t流動(dòng)、溫度分布及流動(dòng)損失進(jìn)行了分析。由于鍋爐結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在計(jì)算時(shí)，選擇R113余正戊烷作為介質(zhì)，以此來提高計(jì)算有效性。通過計(jì)算鍋爐內(nèi)部介質(zhì)流速分布、熱流率等參數(shù)，能夠?yàn)殄仩t設(shè)計(jì)和制造提供科學(xué)依據(jù)。德國(guó)學(xué)者利用2D、3D計(jì)算機(jī)流動(dòng)模擬模型等分析介質(zhì)流動(dòng)與流動(dòng)尾跡振動(dòng)激勵(lì)耦合問題。同時(shí)，美國(guó)學(xué)者通過對(duì)單列帶翅管式換熱器可視化進(jìn)行研究，借助翅片之間的距離實(shí)現(xiàn)了無量綱化。

在國(guó)內(nèi)，針對(duì)計(jì)算傳熱學(xué)的研究取得了豐富的成果，如華中理工大學(xué)結(jié)合導(dǎo)熱三維溫度數(shù)值計(jì)算等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并制定了顏色紋理法可視化方案，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)導(dǎo)熱全過程的監(jiān)督和控制。浙江大學(xué)對(duì)燃燒鍋爐內(nèi)NOx生成機(jī)理的研究，簡(jiǎn)化了模型結(jié)構(gòu)，并計(jì)算出三維數(shù)值，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)二者具有較好的契合度。國(guó)內(nèi)對(duì)于傳熱的研究多以計(jì)算流體力學(xué)為基礎(chǔ)，積極引入了PIV等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行針對(duì)性分析，上述成果的出現(xiàn)，具備較好的可信度，為實(shí)踐操作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 計(jì)算傳熱學(xué)在工程換熱設(shè)備中應(yīng)用未來發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)代工業(yè)化發(fā)展，對(duì)于工程換熱設(shè)備實(shí)際問題，無法依靠單一學(xué)科予以解決。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，針對(duì)傳熱學(xué)中復(fù)雜問題的解決，務(wù)必要以多學(xué)科交叉為基礎(chǔ)，同時(shí)引入新學(xué)科，提高問題解決有效性。由于傳熱、傳質(zhì)及流動(dòng)動(dòng)量在傳輸中存在密切聯(lián)系，相互作用，故可以判斷為要素之間具有非線性關(guān)系?，F(xiàn)代科學(xué)發(fā)展背景下，湍流預(yù)測(cè)難度較大，其中的流體軌道行為具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，其中大漩渦套著小漩渦，小漩渦套著更小的旋渦，在各個(gè)層次上都具有相似的結(jié)構(gòu)。為了探究其中的奧秘，我們要積極引入分形幾何學(xué)、多維流動(dòng)傳熱模型等，以此來提高研究有效性。

為了促進(jìn)實(shí)踐應(yīng)用發(fā)展，針對(duì)數(shù)值的計(jì)算要強(qiáng)調(diào)典型問題，使其與并行算法相結(jié)合，提高計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性。數(shù)值計(jì)算絕對(duì)不是驗(yàn)證理論，更多的是強(qiáng)調(diào)實(shí)踐特征[2]。因此，在未來研究中，勢(shì)必會(huì)朝著規(guī)?；?、集成化方向發(fā)展，越來越多的大型通用軟件為研究和設(shè)計(jì)起到了輔助作用。

任何學(xué)科的發(fā)展都離不開其他學(xué)科的滲透和支持，因此，計(jì)算傳熱學(xué)在換熱設(shè)備中的應(yīng)用，開始引入流動(dòng)測(cè)量技術(shù)、可視化技術(shù)等，其中LDV技術(shù)自身精度較好、且測(cè)量范圍廣，為流場(chǎng)研究提供了先進(jìn)的技術(shù)支撐。在實(shí)踐應(yīng)用中，學(xué)者可以借助技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)熱能傳輸全過程的監(jiān)督，發(fā)現(xiàn)熱能交換特點(diǎn)及規(guī)律，使得理論在實(shí)踐中應(yīng)用更具科學(xué)性。除此之外，換熱設(shè)備長(zhǎng)期應(yīng)用后，會(huì)出現(xiàn)污垢，針對(duì)污垢處理技術(shù)也是技術(shù)未來研究的重心，雖然目前理論研究成果較為豐富，但是污垢形成較為復(fù)雜，除垢增加了企業(yè)成本消耗。因此，未來技術(shù)研究中，還要側(cè)重對(duì)結(jié)垢問題數(shù)學(xué)模型的研究，分析污垢形成的原因，根據(jù)污垢形成特點(diǎn)及規(guī)律，并采取相應(yīng)措施予以處理。

4 結(jié)論

根據(jù)上文所述，隨著換熱設(shè)備在各領(lǐng)域中的普及和應(yīng)用，人們對(duì)其換熱性能提出了更高要求。計(jì)算傳熱學(xué)作為一門重要學(xué)科，其能夠體現(xiàn)出換熱特點(diǎn)及規(guī)律，應(yīng)用到換熱設(shè)備當(dāng)中，能夠提高換熱有效性。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，對(duì)于計(jì)算傳熱學(xué)在設(shè)備中的應(yīng)用，我們還要給予深入研究，積極引入現(xiàn)代技術(shù)，加強(qiáng)學(xué)科之間的融合和滲透，形成全新的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備換熱性能的優(yōu)化和調(diào)整，不斷提高設(shè)備換熱效果，滿足實(shí)踐生產(chǎn)需求，從而促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域持續(xù)健康發(fā)展。

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