Oavsett om det är vatten som rinner över en kondensorplatta i en industrianläggning, eller luft som rinner genom värme- och kylkanaler, vätskeflödet över plana ytor är ett fenomen som är kärnan i många av processerna i det moderna livet. Än, aspekter av denna process har varit dåligt förstådda, och några har lärt sig felaktigt generationer av ingenjörsstudenter, visar en ny analys.

Studien undersökte flera decennier av publicerad forskning och analys av vätskeflöden. Den fann att, medan de flesta läroböcker och klassundervisning i värmeöverföring beskriver sådant flöde som att ha två olika zoner åtskilda av en abrupt övergång, det finns faktiskt tre olika zoner. En lång övergångszon är lika viktig som den första och sista zonen, säger forskarna.

Skillnaden har att göra med skiftet mellan två olika sätt som vätskor kan flöda. När vatten eller luft börjar flöda längs en lägenhet, massivt ark, ett tunt gränsskikt bildas. Inom detta lager, delen närmast ytan rör sig knappt alls på grund av friktion, delen strax ovanför som flyter lite snabbare, och så vidare, tills en punkt där den rör sig med originalflödets fulla hastighet. Detta stadiga, gradvis ökning av hastigheten över ett tunt gränsskikt kallas laminärt flöde. Men längre ner i botten, flödet förändras, bryter upp i de kaotiska virvlarna och virvlarna som kallas turbulent flöde.

Egenskaperna hos detta gränsskikt avgör hur väl vätskan kan överföra värme, vilket är nyckeln till många kylprocesser, till exempel för högpresterande datorer, avsaltningsanläggningar, eller kraftverkskondensorer.

Eleverna har lärt sig att beräkna egenskaperna hos sådana flöden som om det var en plötslig förändring från laminärt flöde till turbulent flöde. Men John Lienhard, Abdul Lateef Jameel professor i vatten och maskinteknik vid MIT, gjorde en noggrann analys av publicerade experimentella data och fann att denna bild ignorerar en viktig del av processen. Resultaten publicerades just i Journal of Heat Transfer .

Lienhards granskning av värmeöverföringsdata avslöjar en betydande övergångszon mellan laminära och turbulenta flöden. Denna övergångszons motståndskraft mot värmeflöde varierar gradvis mellan de i de två andra zonerna, och zonen är lika lång och distinkt som den laminära flödeszonen som föregår den.

Resultaten kan potentiellt få konsekvenser för allt från design av värmeväxlare för avsaltning eller andra processer i industriell skala, att förstå luftflödet genom jetmotorer, Säger Lienhard.

Faktiskt, fastän, de flesta ingenjörer som arbetar med sådana system förstår förekomsten av en lång övergångszon, även om det inte finns i läroböckerna, Lienhard noterar. Nu, genom att klargöra och kvantifiera övergången, denna studie kommer att bidra till att anpassa teori och undervisning till verklig ingenjörspraxis. "Tanken om en plötslig övergång har varit inarbetad i läroböcker och klassrum för värmeöverföring under de senaste 60 eller 70 åren, " han säger.

De grundläggande formlerna för att förstå flöde längs en plan yta är grunden för alla de mer komplexa flödesituationer som luftflöde över en krökt flygplansvinge eller ett turbinblad, eller för kylning av rymdfordon när de kommer in i atmosfären igen. "Den plana ytan är utgångspunkten för att förstå hur något av det fungerar, "Säger Lienhard.

Teorin för plana ytor fastställdes av den tyska forskaren Ernst Pohlhausen 1921. Men ändå, "laboratorieexperiment matchade vanligtvis inte de gränsförhållanden som teorin antar. En laboratorieplatta kan ha en rundad kant eller en ojämn temperatur, så utredare på 1940 -talet, 50 -talet, och 60 -talet 'justerade' ofta sina data för att tvinga överens med denna teori, "säger han. Skillnader mellan annars bra data och denna teori ledde också till heta oenigheter bland specialister inom värmeöverföringslitteraturen.

Lienhard fann att forskare vid British Air Ministry hade identifierat och delvis löst problemet med ojämna yttemperaturer 1931. "Men de kunde inte helt lösa ekvationen de härledde, "säger han." Det fick vänta tills digitala datorer kunde användas, från och med 1949. "Under tiden argumenterna mellan specialister puttrade på.

Lienhard säger att han bestämde sig för att ta en titt på den experimentella grunden för ekvationerna som lärdes ut, inser att forskare har vetat i decennier att övergången spelade en betydande roll. "Jag ville plotta data med dessa ekvationer. På det sättet, eleverna kunde se hur bra ekvationerna fungerade eller inte, "sa han." Jag tittade på den experimentella litteraturen ända tillbaka till 1930. Att samla in dessa data gjorde något mycket tydligt:​​Det vi undervisade var oerhört förenklat. "Och skillnaden i beskrivningen av vätskeflöde innebar att beräkningar av värmeöverföring var ibland avstängd.

Nu, med denna nya analys, ingenjörer och studenter kommer att kunna beräkna temperatur och värmeflöde exakt över ett mycket brett spektrum av flödesförhållanden och vätskor, Säger Lienhard.