無(wú)論是流經(jīng)工業(yè)工廠冷凝板的水，還是流經(jīng)加熱和冷卻管道的空氣，流經(jīng)平坦表面的流體都是現(xiàn)代生活許多過(guò)程的核心現(xiàn)象。然而，一項(xiàng)新的分析顯示，這一過(guò)程的各個(gè)方面一直知之甚少，一些方面被錯(cuò)誤地教授給了幾代工科學(xué)生。

這項(xiàng)研究檢查了幾十年來(lái)發(fā)表關(guān)于流體流動(dòng)的研究和分析。研究發(fā)現(xiàn)，雖然大多數(shù)本科教科書(shū)和傳熱學(xué)課堂教學(xué)都將這種流動(dòng)描述為：兩個(gè)不同的區(qū)域被突然轉(zhuǎn)變隔開(kāi)，但實(shí)際上有三個(gè)不同的區(qū)域。

研究人員表示：一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)渡區(qū)與第一個(gè)和最后一個(gè)區(qū)域一樣重要。這種差異與流體可以流動(dòng)的兩種不同方式之間的轉(zhuǎn)換有關(guān)，當(dāng)水或空氣開(kāi)始沿著平整的固體薄片流動(dòng)時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)薄的邊界層。在該層內(nèi)，由于摩擦力，最靠近曲面的部分幾乎不會(huì)移動(dòng)，恰好在其上方的部分流動(dòng)得更快，依此類推，直到它以原始流動(dòng)的全速移動(dòng)，這種穿過(guò)薄邊界層的穩(wěn)定、漸進(jìn)的速度增加稱為層流。

但是再往下走，氣流就會(huì)改變，分裂成混亂的漩渦和漩渦，也就是所謂的紊流。這種邊界層的性質(zhì)決定了流體傳熱效果，這對(duì)許多冷卻過(guò)程(如高性能計(jì)算機(jī)、海水淡化廠或發(fā)電廠冷凝器)至關(guān)重要。學(xué)生們已經(jīng)被教導(dǎo)計(jì)算這種流動(dòng)的特征，就像從層流突然轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧饕粯?。但是麻省理工學(xué)院水和機(jī)械工程Abdul Lateef Jameel教授John Lienhard仔細(xì)分析了公布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)忽略了這一過(guò)程的一個(gè)重要部分，這一發(fā)現(xiàn)現(xiàn)已發(fā)表在《傳熱學(xué)》期刊上。

Lienhard對(duì)傳熱數(shù)據(jù)的回顧，揭示了層流和湍流之間有一個(gè)重要的過(guò)渡區(qū)。這個(gè)過(guò)渡區(qū)的熱流阻力在另外兩個(gè)區(qū)之間逐漸不同，這個(gè)區(qū)和它前面的層流區(qū)一樣長(zhǎng)，也很獨(dú)特。這些發(fā)現(xiàn)可能對(duì)從海水淡化或其他工業(yè)規(guī)模過(guò)程的熱交換器設(shè)計(jì)，到理解噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中的空氣流動(dòng)等方方面面都有潛在影響。事實(shí)上，致力于這類系統(tǒng)的大多數(shù)工程師都知道長(zhǎng)過(guò)渡區(qū)的存在，即使本科教科書(shū)中沒(méi)有這一點(diǎn)。

現(xiàn)在，通過(guò)澄清和量化這一轉(zhuǎn)變，這項(xiàng)研究將有助于使理論和教學(xué)與現(xiàn)實(shí)世界的工程實(shí)踐保持一致，但在在過(guò)去的六七十年里，突然轉(zhuǎn)變的概念在傳熱學(xué)教科書(shū)和教室里已經(jīng)根深蒂固了。理解沿平坦表面流動(dòng)的基本公式，是所有更復(fù)雜流動(dòng)情況的基本基礎(chǔ)，例如曲形的飛機(jī)機(jī)翼或渦輪葉片上的氣流，或航天器重新進(jìn)入大氣層時(shí)的冷卻，平坦表面是理解這些東西如何工作的起點(diǎn)。平面理論是由德國(guó)研究員Ernst Pohlhausen于1921年提出。

經(jīng)常‘調(diào)整’數(shù)據(jù)才可以

但即便如此，實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)通常不符合理論假設(shè)的邊界條件。實(shí)驗(yàn)室板塊可能有一個(gè)圓形的邊緣或溫度不均勻，所以20世紀(jì)40年代、50年代和60年代的研究人員經(jīng)?！{(diào)整’他們的數(shù)據(jù)，以迫使他們與這一理論相一致。另外，良好的數(shù)據(jù)和這一理論之間的差異，也導(dǎo)致了傳熱學(xué)文獻(xiàn)中專家之間的激烈分歧。研究發(fā)現(xiàn)，英國(guó)航空部的研究人員在1931年發(fā)現(xiàn)并部分解決了表面溫度不均勻問(wèn)題。

但是他們不能完全解決他們推導(dǎo)出的方程式，這得等到1949年開(kāi)始使用數(shù)字計(jì)算機(jī)才行，與此同時(shí)，專家之間的爭(zhēng)論仍在醞釀之中。研究人員看正在教授學(xué)生的方程式實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，意識(shí)到研究人員幾十年來(lái)就知道這種轉(zhuǎn)變發(fā)揮了重要作用，Lienhard表示：想用這些方程式繪制數(shù)據(jù)，這樣，學(xué)生們就可以看到這些方程式工作得有多好，我一直看著實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)，一直追溯到1930年，收集這些數(shù)據(jù)讓一些事情變得非常清楚：

幾十年間教科書(shū)上教授的東西過(guò)于簡(jiǎn)單化了，在描述流體流動(dòng)時(shí)的差異，意味著傳熱計(jì)算有是錯(cuò)誤的?，F(xiàn)在，有了這種新的分析，工程師和學(xué)生將能夠在非常廣泛的流動(dòng)條件和流體中準(zhǔn)確地計(jì)算溫度和熱流，錯(cuò)了幾十年的教科書(shū)終于可以得以修正，但要真正把新研究成果修正到原來(lái)的教科書(shū)，不知道又要多少年呢？期間還有多少學(xué)生繼續(xù)學(xué)著錯(cuò)誤或者說(shuō)不那么正確的知識(shí)呢？

博科園｜研究/來(lái)自：麻省理工學(xué)院

參考期刊《傳熱學(xué)》

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