楔角对Falkner-Skan流中流动传热与熵生成的影响

《Scientific Reports》：Impact of wedge angle on flow heat mass transfer and entropy generation in Falkner–Skan flow

　　

摘要

本研究采用混合分析和数值方法（HAN方法）来探讨楔角对Falkner-Skan边界层流动的热流和质量传递特性的影响。分析研究了Hartree压力梯度参数（从β=0（平板）到β=1.0（90°楔形））如何影响速度、温度和浓度分布，以及熵产生和Bejan数。结果表明，楔角的增大显著增强了壁面上的速度、温度和浓度梯度——分别增加了162%、19.8%和19.0%——这直接体现在相关工程系数的提升上：摩擦系数增加了85.7%，努塞尔特数增加了69.4%，舍伍德数增加了68.4%。这种同时的增强在物理上归因于较大楔角所产生的有利压力梯度，该梯度加速了外部流动，压缩了靠近壁面的速度分布，从而通过雷诺类比效应加剧了热流和浓度梯度。虽然较大的楔角由于速度和温度梯度的增加而加剧了熵的产生，但壁面附近的Bejan数却减小了，表明流体摩擦的非确定性作用越来越明显。与以往主要关注流体动力学或热力学方面的Falkner-Skan研究不同，这项工作提供了一个全面的熵产生分析，同时量化了在不同楔角形状下热传递、流体摩擦和质量传递非确定性之间的热力学权衡。此外，HAN方法的应用为速度、温度和浓度分布提供了封闭形式的解析表达式，使得无需重复的数值计算即可直接用于工程实践。这些发现为优化在有利压力梯度作用下的楔形单元中的热流和质量传递性能提供了宝贵的设计依据，适用于涡轮叶片和飞机机翼等航空航天部件、热交换器、化学气相沉积系统以及电子冷却设备的热管理等领域。