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基于热传递和熵传递的热对流理论牛顿冷却定律的完整性
Scientific Reports ( IF 3.8 ) Pub Date : 2022-09-29 , DOI: 10.1038/s41598-022-18961-8
Bo Zhao 1, 2
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更新日期:2022-09-29
Scientific Reports ( IF 3.8 ) Pub Date : 2022-09-29 , DOI: 10.1038/s41598-022-18961-8
Bo Zhao 1, 2
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尽管热对流在自然界和技术中无处不在,在各种能量传输系统中发挥着重要作用,但对流是否可以被视为一种独立的传热方式一直存在争议。牛顿冷却定律的版本量化了表面热通量与体表和相邻流体之间的温差的比率。然而,牛顿冷却定律中不存在这两个系数的一致解析表达式。这些待定系数和对流热通量矢量之间固有的复杂关系使得揭示对流机制变得极其困难。这些系数的理论确定将为热对流和热管理的直接应用带来新的见解。在这里,我们在理论上展示了各种流动的恒定和对流传热系数的一致解析表达式,使牛顿冷却定律成为一个完整的科学定律。为此,开发了热对流的三维(3D)能量传递理论,导出了系统内部的对流热通量矢量、熵通量矢量和熵产生率,用于单相流和相变流。通过将控制体积系统重铸为等效控制质量系统,并利用热力学第一和第二定律,证明了以温差和熵变化为特征的基本对流传热模式。阐明了 3D 对流公式背后的物理含义。分析结果与层流实验和湍流测量基准数据的比较验证了我们的理论发现。我们的 3D 热和熵传递理论将拓宽热对流过程的研究领域,并为单相和相变流中的对流热传递的设计和热管理开辟一个新领域。
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