2 强化沸腾换热理论基础
2.1 EHD强化传热机理
EHD强化传热,除了涉及到传统的流场和温度场之间的相互作用外,还涉及到电场,因此,它是一个复杂场(或复合场)的多场综合效果。实际上,在该问题中,流体在电场中包含带电粒子、极性分子、非极性分子等,这些组分在电场中的受力情况各不相同,受力以后产生的运动又相互作用,一方面,流体中的温度梯度使流体的导电系数发生变化,从而产生空间电荷,即温度场影响了电场;反过来空间电荷在电场中的运动以及电场力又影响了流场;电场和流场的相互作用又影响了温度场及传热效果。因此,EHD强化换热的机理非常复杂,多年来,国内外学者为探索EHD强化传热的机理作了不懈的努力,也取得不少进展。
EHD强化传热过程的完整描述需要从流场、温度场和电场三方面着手,而且要考虑它们之间的相互耦合作用[11]。Panofsk根据电磁学理论,给出了电场中流体所受电场体积力的一般表达式:
(2-1)
式(2-1)中右侧第一项为电场施加于介质中自由电荷上的力,称为电泳力(Electrophoretic Force)或库仑力,该力的方向取决于自由电荷的极性和电场的方向;第二项表示由于介电常数 的空间变化而产生的施加于介质上的力,称为介电电泳力(Dielectrophoretic Force);第三项表示由于介电常数的随介质密度 的变化而产生的施加于介质上的力,称电致收缩力(Electrostrictive Force)。
对于电场作用下的不可压缩流体,考虑到其所受的电场体积力,其Navier—Stokes方程为:
(2-2)
式中 指加速度,包括局部项 和对流项 ,矢量 表示单位体积的流体所受的重力, 为压力梯度, 为粘滞力。
对电场作用下的流体能量方程,需在一般能量方程中加上电阻耗散项 ,即:
(2-3)
该式忽略了流体的压缩功和粘性耗散项。
不可压缩流体的连续性方程仍为:
(2-4)
对于电介质液体,各电力项之间的关系可用下列静电场基本方程来表示:
式中,电流密度J ,可表示为:
(2-8)
式中 为电荷扩散系数。式(2-1)~式(2-8)组成了电场作用下的流场和温度场的完整的数学模型。从以上各式可以看出,该组方程比单纯的求解电场、流场和温度场要复杂得多,特别是在不同的应用情况下,其边界条件的确定也相当复杂。因此,在实际应用中常常要做一些假定或给定一些简化的条件。
对于单相对流换热,流体中的温度梯度会引起其电导率和介电常数分布的不均匀。当 和 变化时,流体中会产生自由电荷,即电场体积力中的电泳力会对换热起作用。自由电荷的产生取决于电导率和介电常数,其关系如下:
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