Следует начать с того, что теплообмен на тонкой стенке с жидкостью с одной стороны и с газом на другой представляет собой т.н. сопряженный теплообмен, при котором тепловой поток через стенку, температуры обеих сторон стенки, жидкости и газа тесно связаны и любой расчет, не принимающий это во внимание, будет некорректным, а практический результат аварийным. Тем не менее, можно определить факторы, в существенной степени влияющие на теплообмен. Их достаточно много, но одним из важнейших является толщина пограничного слоя между потоком жидкости и поверхностью стенки. Толщина погранслоя зависит от режима течения и в ламинарном случае она максимальна. Соответственно, теплообмен при ламинарном течении наихудший. Толщина погранслоя в случае развитой турбулентности на порядок меньше, в результате чего теплообмен интенсифицируется и температура стенки на стороне жидкости падает. Соответственно падает, хотя и меньше (тепловой поток через стенку возрастает), температура стенки со стороны газа.
Что касается турбулентности, то в потоке есть два механизма, ее определяющих. С одной стороны механизм ее генерации, с другой – разрушения. Генерируется турбулентность в самом потоке из-за неустойчивости течения, свойственной нелинейному характеру движения жидкости, а также на шероховатой стенке.
Механизм подавления турбулентности один – вязкое трение в жидкости. Т.е. невязкое течение всегда турбулентное.
Размер первичных вихрей в ограниченном потоке в случае генерации за счет возникновения неустойчивостей имеет порядок характерного линейного размера потока, т.е. толщины канала. Такой же размер имеет и эффективный пограничный слой. Казалось бы, крупномасштабная турбулентность не улучшает радикально теплообмен. Так и есть – чем больше размер вихрей, тем слабее локальное перемешивание, т.е. перемешивания нв масштабах вихря как бы нет.
Но, существует т.н. каскадный механизм развития турбулентности, когда большие вихри распадаются на более мелкие, те еще на более мелкие и так далее. В конце концов в канале устанавливается течение с характерным размером вихрей и перемешивание в масштабах этих вихрей. Обратного механизма, кстати, нет – вихри не укрупняются. Если "включить" второй механизм генерации – шероховатость, то размер генерируемых вихрей будет иметь порядок шероховатостей. Это ускоряет распад более крупных вихрей и ведет к гомогенизации турбулентного потока, соответсвенно уменьшая толщину погранслоя. В узких каналах при небольших Re генерация за счет неустойчивости течения может быть нестабильной или вообще не стартануть. В этом случае шероховатая стенка гарантирует быстрое развитие турбулентности и интенсификацию теплообмена.
Детали можно погуглить по "турбулентный теплообмен на шероховатой стенке".
Помимо шероховатой стенки есть еще несколько механизмов интенсификации теплообмена и предотвращения локальных перегревов – радиально-осевое профилирование каналов. Оно позволяет работать в режимах близких к кипению теплоносителя без возникновения паровых подушек на горячей стенке. При этом расход жидкости может быть увеличен в несколько раз при одновременном снижении падения давления между входным и выходным коллекторами.
Отредактировано: adolfus - 08 авг 2019 09:54:51