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物理学 > 流体动力学

arXiv:2507.09027 (physics)
[提交于 2025年7月11日 ]

标题: 通道中用于传热的波浪最优流

标题: Wavy optimal flows for heat transfer in channels

Authors:Shivani Prabala, Silas Alben
摘要: 我们计算不可压缩的二维流体流动,这些流动在给定特定的流输入功率$Pe^{2}$的情况下,最大化从直通道壁的传热速率,其中$Pe$是佩克莱特数。 我们使用布罗伊登-弗莱彻-戈尔德法布-夏诺(BFGS)算法结合伴随方法来计算梯度。 最优流动大约是单向的,直到临界值$Pe \approx 2^{12}$。 超过这个值后,流动呈现出波浪状模式,其特征是来自通道顶部和底部壁的指状突出物。 这些波浪状流动的传热速率比之前确定的单向最优值高出 3% 到 30%,对于$2^{13} \leq Pe \leq 2^{17}$来说。 波浪状流动通过通道的通量远小于单向流动,其中缓慢移动的流体区域几乎具有均匀温度,穿插着快速移动的蛇形区域。 因此,热流体和冷流体之间的界面面积增加了。
摘要: We compute incompressible two-dimensional fluid flows that maximize the rate of heat transfer from the walls of a straight channel given a specified flow input power $Pe^{2}$, where $Pe$ is the P\'{e}clet number. We use the Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (BFGS) algorithm together with an adjoint method to compute gradients. The optimal flows are approximately unidirectional up to a critical $Pe \approx 2^{12}$. Above this value the flows assume wavy patterns characterized by finger-like protrusions emanating from both the top and bottom walls of the channel. The rate of heat transfer for these wavy flows is 3% to 30% greater than that of the previously identified unidirectional optima for $2^{13} \leq Pe \leq 2^{17}$. The wavy flows have a much smaller flux through the channel than the unidirectional flows, with regions of slow-moving fluid at nearly homogeneous temperature interspersed with serpentine regions of fast-moving fluid. Consequently, the area of the interface between hot and cold fluid is increased.
评论: 34页,14图
主题: 流体动力学 (physics.flu-dyn)
引用方式: arXiv:2507.09027 [physics.flu-dyn]
  (或者 arXiv:2507.09027v1 [physics.flu-dyn] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.09027
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Silas Alben [查看电子邮件]
[v1] 星期五, 2025 年 7 月 11 日 21:21:48 UTC (19,949 KB)
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