液态金属扰流的场协同分析

扰流结构（螺旋线圈、凹凸点、扰流柱等）是强化传统工质传热性能的高效途径，但这种普遍应用的强化传热方式对于液态金属并不完全适用。如下利用场协同理论分析常规扰流结构对液态金属传热的强化效果［1］。

对于典型的二维边界层情况，式（9-45）左边也可表示为：

其中，x、y分别为平行及垂直于壁面的方向，u、v分别为平行及垂直于壁面的分速度。对于传统冷却介质，边界层内一般均为u较大，v较小，∂T／∂y较大，∂T／∂x较小，场协同性较差。因此，在流道中设置适当的扰流结构增加流体壁面法向速度v提升场协同性是最为直接而有效的方法。

然而，对于液态金属而言，情况有所不同。其原因在于液态金属热边界层中∂T／∂y已经较小，由于扰动增加的壁面法向速度v对热量传递影响并不明显。仍采用数值模拟方法来研究此问题，对图9-12中对流传热平台设置扰动结构，如图9-15。

图9-15　增加扰动对流传热模型(www.xing528.com)

在同样的运行工况下，分别以水和液态金属GaIn20作为冷却工质进行数值模拟得到的速度分布和等温线分布如图9-16和图9-17所示。从图9-16中可以看出，以水作为冷却介质，壁面法向温度梯度大，而扰动引起的壁面法向速度增加，在壁面边界层处有力改善了速度场和温度场的协同程度［1］，壁面平均温度由68.9℃降低到52.5℃。但对于液态金属而言，壁面法向温度梯度小，增加的垂直壁面速度对场协同性影响不大，壁面平均温度仅从26.6℃降低到26.1℃。

图9-16　水作为冷却介质扰动情况下流动截面的速度分布（a）及等温线分布（b）

图9-17　GaIn20作为冷却介质扰动情况下流动截面的速度分布（a）及等温线分布（b）

因此，传统通用而有效的扰动强化传热方法对于液态金属而言并不完全适用，其根本原因在于液态金属温度场自身的特点导致扰动对速度场和温度梯度场协同性的影响不同。需进一步说明的是，上述扰动数值模拟研究基于低速层流模型，同时结果通过了网格独立性验证。因此，模拟结论具有代表性。

总体而言，场协同理论［20，21］是从对流传热本质上评估液态金属强化传热的一种重要而实用的分析方法。基于场协同理论可得到如下关于液态金属强化传热的重要结论［1］：①液态金属相对传统冷却介质具有更优传热性能的根本原因在于其极高的热导率，而其直接原因在于高热导率导致的液态金属系统中温度梯度场和速度场的协同性更佳；②针对液态金属的强化传热方法存在其特殊性，传统的强化传热方法并不完全适用。而场协同理论是分析液态金属强化传热高效而实用的理论方法。