具有粘性耗散的幂律流体在完全发展的Couette–Poiseuille流中的传热现象

《Canadian Journal of Chemical Engineering》：Heat transfer in fully developed Couette–Poiseuille flow of power-law fluids with viscous dissipation

本研究分析非牛顿流体在平行板间的强迫对流换热，推导半解析速度分布和解析温度分布，发现剪切稀化流体在纯压力驱动下传热增强，剪切增稠流体通过降低剪切驱动能耗实现与牛顿流体相当的努塞尔数。该方法为动态壁换热器等设备的热管理提供优化策略。

　　本研究探讨了在加热平行板之间，幂律流体在库埃特-泊塞流（Couette–Poiseuille flow）中的完全发展、稳态、层流强制对流换热现象。这种流动模式在动态壁面换热器、微流控设备以及聚合物加工等领域具有重要应用价值。分析的重点在于流体流动中剪切驱动（库埃特）与总流动（泊塞）之间的流量比对换热性能的影响，特别针对牛顿流体和幂律流体的特性。研究中考虑了幂律指数 $ n $ 的变化范围（0.2 至 5），上板速度 $ U $ 的范围（-10 到 1），以及布林克曼数（Brinkman number）的取值，包括粘性耗散效应。

通过半解析方法推导出速度分布，同时利用解析方法获得温度分布和努塞尔数（Nusselt number）。这些结果不仅有助于深入理解流动与传热机制，还为快速评估换热性能提供了理论依据，同时可作为验证数值模拟的可靠参考。研究结果与ANSYS Fluent数值模拟以及文献数据进行了对比验证，确保其准确性。

研究发现，当剪切驱动成分与压力驱动成分之间存在最佳比例时，能够显著提高换热效率，尤其是在移动绝缘板的情况下。在忽略粘性耗散的情况下，剪切变稀流体在纯压力驱动流动中表现出更高的换热能力，而剪切增稠流体则在较低的剪切驱动运动下达到与牛顿流体相当的努塞尔数，从而降低能耗。这一发现为非牛顿流体在复杂流动驱动机制下的热管理提供了新的视角。

该研究的创新之处在于确定了库埃特与泊塞成分之间的最佳流量比，为在非牛顿流体系统中实现换热最大化与能量输入最小化提供了理论框架。这些结论对涉及多种流动驱动机制的系统，如动态壁面换热器等，具有重要的指导意义。通过合理调控流动结构，可以有效提升热传递效率，同时减少能源消耗，这对于优化工业设备的热管理性能具有实际应用价值。