本文基于《耦合表面張力的封閉腔體內(nèi)管外自然對(duì)流傳熱特性》的研究，聚焦于常被忽略的表面張力因素，深度解讀其與浮升力（瑞利數(shù)Ra）的相互作用對(duì)換熱特性的真實(shí)影響。

一、 表面張力的引入與物理模型

傳統(tǒng)腔體自然對(duì)流研究多集中于浮升力驅(qū)動(dòng)。該研究創(chuàng)新性地在浮升力之外，引入了固液界面的表面張力。其物理模型為：一個(gè)二維封閉方腔，中心放置恒壁溫加熱圓柱，腔體邊界為冷卻壁面。

研究采用格子Boltzmann方法進(jìn)行模擬。表面張力的模擬關(guān)鍵采用了基于分子間相互作用力的IIF方法，并通過(guò)拉普拉斯定律驗(yàn)證了該處理方法的正確性。表面張力的強(qiáng)弱由奧內(nèi)佐格數(shù)（Oh）量化，Oh數(shù)越小，代表表面張力效應(yīng)越強(qiáng)。

二、 表面張力對(duì)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的擾動(dòng)機(jī)制

模擬結(jié)果清晰地揭示了表面張力的擾動(dòng)機(jī)制。當(dāng)僅存在浮升力時(shí)（Oh數(shù)無(wú)窮大），流場(chǎng)呈現(xiàn)規(guī)整的雙渦結(jié)構(gòu)，溫度場(chǎng)分層明顯。

引入表面張力后，即使強(qiáng)度較弱（Oh=0.388），也會(huì)在加熱圓柱附近產(chǎn)生微小擾動(dòng)，打破流場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性。當(dāng)表面張力增強(qiáng)（Oh=0.122），擾動(dòng)效應(yīng)急劇放大。這種擾動(dòng)從圓柱壁面開(kāi)始，逐漸向整個(gè)腔體傳播，導(dǎo)致流線變得紊亂，溫度場(chǎng)的等溫線分布也發(fā)生顯著畸變。

這種擾動(dòng)本質(zhì)上是表面張力與浮升力共同作用的結(jié)果。表面張力在固液界面處產(chǎn)生了額外的驅(qū)動(dòng)力，改變了流體微團(tuán)的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而增強(qiáng)了流體的混合能力。

三、 表面張力與浮升力的競(jìng)爭(zhēng)與協(xié)同關(guān)系

表面張力并非獨(dú)立起作用，其效應(yīng)與浮升力（Ra數(shù)）密切相關(guān)，存在明顯的競(jìng)爭(zhēng)與協(xié)同關(guān)系。

在低Ra數(shù)（如Ra=103）條件下，浮升力本身較弱。此時(shí)，表面張力的影響范圍可覆蓋整個(gè)腔體，與浮升力共同主導(dǎo)流動(dòng)，形成復(fù)雜的多渦結(jié)構(gòu)，顯著強(qiáng)化換熱。

隨著Ra數(shù)升高（如Ra=10?），浮升力作用增強(qiáng)。表面張力的影響范圍開(kāi)始收縮，但其在圓柱附近的局部擾動(dòng)效應(yīng)依然強(qiáng)烈，并能有效增強(qiáng)該區(qū)域的換熱。

當(dāng)Ra數(shù)極高（如Ra=10?）時(shí)，浮升力占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)，流動(dòng)呈現(xiàn)強(qiáng)烈的自然對(duì)流特征。表面張力的全局影響被抑制，但其局部效應(yīng)依然存在。

一個(gè)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是：在Ra數(shù)不起主導(dǎo)作用的中低區(qū)間，表面張力的引入可能導(dǎo)致?lián)Q熱強(qiáng)度與Ra數(shù)并非單調(diào)正相關(guān)。例如，在固定表面張力下，Ra=10?時(shí)的壁面Nu數(shù)峰值反而低于Ra=103時(shí)。這證明了在特定工況下，忽略表面張力將導(dǎo)致對(duì)換熱規(guī)律的誤判。

四、 表面張力對(duì)換熱效率的定量強(qiáng)化

研究的核心結(jié)論是，表面張力能實(shí)質(zhì)性強(qiáng)化換熱，且強(qiáng)化效果可定量評(píng)估。

在Ra=10?的工況下，引入較強(qiáng)的表面張力（Oh=0.122），與無(wú)表面張力情況相比：

加熱圓柱壁面平均努塞爾數(shù)（Nu）提升了60.35%。

腔體左側(cè)冷卻壁面平均Nu數(shù)提升了93.5%。

努塞爾數(shù)的顯著提升，直接證明了表面張力通過(guò)增強(qiáng)流體擾動(dòng)和混合，極大地提高了熱量的傳遞效率。此外，局部Nu數(shù)的分布也發(fā)生改變，由均勻分布變?yōu)榇嬖诿黠@極值點(diǎn)，這反映了表面張力作用下?lián)Q熱在空間上的不均勻性增強(qiáng)。

總結(jié)

該研究通過(guò)精細(xì)的數(shù)值模擬證實(shí)，在封閉腔體自然對(duì)流中，表面張力是一個(gè)不可忽視的物理因素。它通過(guò)擾動(dòng)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，與浮升力競(jìng)爭(zhēng)或協(xié)同，從而顯著改變換熱特性與效率。尤其在浮升力不占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的工況下，表面張力可能成為影響換熱的主導(dǎo)因素之一。這一認(rèn)識(shí)對(duì)電子設(shè)備冷卻、微流動(dòng)系統(tǒng)等涉及微小尺度對(duì)流的工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。