Of het nu gaat om water dat over een condensorplaat stroomt in een industriële installatie, of lucht die door verwarmings- en koelkanalen stroomt, de stroom van vloeistof over vlakke oppervlakken is een fenomeen dat centraal staat in veel van de processen van het moderne leven. Nog, aspecten van dit proces zijn slecht begrepen, en sommige zijn verkeerd onderwezen aan generaties technische studenten, blijkt uit een nieuwe analyse.

De studie onderzocht verschillende decennia van gepubliceerd onderzoek en analyse van vloeistofstromen. Het vond dat, terwijl de meeste niet-gegradueerde leerboeken en klassikale instructie in warmteoverdracht een dergelijke stroom beschrijven als twee verschillende zones gescheiden door een abrupte overgang, in feite zijn er drie verschillende zones. Een lange overgangszone is net zo belangrijk als de eerste en laatste zones, zeggen de onderzoekers.

De discrepantie heeft te maken met de verschuiving tussen twee verschillende manieren waarop vloeistoffen kunnen stromen. Wanneer water of lucht langs een flat begint te stromen, stevig blad, vormt zich een dunne grenslaag. Binnen deze laag is het deel dat zich het dichtst bij het oppervlak bevindt, beweegt nauwelijks vanwege wrijving, het gedeelte net daarboven stroomt wat sneller, enzovoort, tot een punt waar het zich met de volle snelheid van de oorspronkelijke stroom voortbeweegt. Deze stabiele, geleidelijke toename van de snelheid over een dunne grenslaag wordt laminaire stroming genoemd. Maar verder stroomafwaarts, de stroom verandert, uiteenvallen in de chaotische wervelingen en wervelingen die bekend staan ​​​​als turbulente stroming.

De eigenschappen van deze grenslaag bepalen hoe goed de vloeistof warmte kan overdragen, wat de sleutel is tot veel koelprocessen, zoals voor krachtige computers, ontziltingsinstallaties, of condensors van elektriciteitscentrales.

De studenten hebben geleerd de karakteristieken van dergelijke stromingen te berekenen alsof er een plotselinge verandering is van laminaire stroming naar turbulente stroming. Maar John Lienhard, de Abdul Lateef Jameel hoogleraar Water en werktuigbouwkunde aan het MIT, maakte een zorgvuldige analyse van gepubliceerde experimentele gegevens en ontdekte dat deze foto een belangrijk deel van het proces negeert. De bevindingen zijn zojuist gepubliceerd in de Dagboek van warmteoverdracht .

Lienhards beoordeling van warmteoverdrachtsgegevens onthult een significante overgangszone tussen de laminaire en turbulente stromingen. De weerstand van deze overgangszone tegen warmtestroom varieert geleidelijk tussen die van de twee andere zones, en de zone is net zo lang en onderscheidend als de laminaire stromingszone die eraan voorafgaat.

De bevindingen kunnen mogelijk gevolgen hebben voor alles, van het ontwerp van warmtewisselaars voor ontzilting of andere processen op industriële schaal, om de luchtstroom door straalmotoren te begrijpen, zegt Lienhard.

In feite, Hoewel, de meeste ingenieurs die aan dergelijke systemen werken, begrijpen het bestaan ​​van een lange overgangszone, ook al staat het niet in de studieboeken, Lienhard merkt op. Nutsvoorzieningen, door de transitie te verduidelijken en te kwantificeren, deze studie zal helpen om theorie en onderwijs in overeenstemming te brengen met de echte technische praktijk. "Het idee van een abrupte overgang is de afgelopen 60 of 70 jaar ingebakken in leerboeken en klaslokalen voor warmteoverdracht, " hij zegt.

De basisformules voor het begrijpen van stroming langs een plat oppervlak zijn de fundamentele onderbouwing voor alle meer complexe stromingssituaties zoals luchtstroming over een gebogen vliegtuigvleugel of turbineblad, of voor het koelen van ruimtevoertuigen wanneer ze de atmosfeer weer binnenkomen. "Het platte oppervlak is het startpunt om te begrijpen hoe al die dingen werken, ' zegt Lienhard.

De theorie voor vlakke oppervlakken werd in 1921 opgesteld door de Duitse onderzoeker Ernst Pohlhausen. Maar toch, "labexperimenten kwamen meestal niet overeen met de randvoorwaarden die door de theorie worden aangenomen. Een laboratoriumplaat kan een afgeronde rand hebben of een niet-uniforme temperatuur, dus onderzoekers in de jaren '40, jaren 50, en jaren '60 'pasten' vaak hun gegevens aan om overeenstemming met deze theorie te forceren, " zegt hij. Verschillen tussen overigens goede gegevens en deze theorie leidden ook tot verhitte meningsverschillen tussen specialisten in de literatuur over warmteoverdracht.

Lienhard ontdekte dat onderzoekers van het Britse ministerie van Luchtvaart het probleem van niet-uniforme oppervlaktetemperaturen in 1931 hadden geïdentificeerd en gedeeltelijk hadden opgelost. "Maar ze waren niet in staat om de afgeleide vergelijking volledig op te lossen, "zegt hij. "Dat moest wachten tot digitale computers gebruikt konden worden, vanaf 1949." Ondertussen, de ruzies tussen specialisten sudderden voort.

Lienhard zegt dat hij besloot te kijken naar de experimentele basis voor de vergelijkingen die werden aangeleerd, beseffend dat onderzoekers al tientallen jaren weten dat de transitie een belangrijke rol speelde. "Ik wilde gegevens plotten met deze vergelijkingen. Op die manier studenten konden zien hoe goed de vergelijkingen wel of niet werkten, " zei hij. "Ik heb de experimentele literatuur helemaal teruggekeken tot 1930. Het verzamelen van deze gegevens maakte iets heel duidelijk:wat we leerden was vreselijk versimpeld." En de discrepantie in de beschrijving van vloeistofstroom betekende dat berekeningen van warmteoverdracht waren soms uit.

Nutsvoorzieningen, met deze nieuwe analyse ingenieurs en studenten zullen in staat zijn om de temperatuur en warmtestroom nauwkeurig te berekenen over een zeer breed scala aan stroomomstandigheden en vloeistoffen, zegt Lienhard.