控制壁面传热效率是许多工业设备和工程实践的一项关键技术，而国内外学术界对壁面两侧耦合热流动等重要工程问题的研究依然薄弱。本项基金利用尺度分析，直接数值模拟以及实验测量等方法开展了壁面一侧和两侧耦合流动的研究。在该项基金的实施过程中，已在控制参数对热边界层对流以及传热影响研究上取得若干实质进展。研究结果表明两侧耦合热边界层流动可从定常向非定常演化，且该演化过程与瑞利数和普朗特数等控制参数有关，得到了主要的流动和传热的定量依赖关系式。此外，也获得了复杂几何形状壁面的一侧热对流的流动和传热的定量刻画。以上的研究成果可补充现有流体力学知识的缺失，也为进一步的工程设计提供基础性设计思路。研究成果的一部分已分别在国内外重要的学术会议上进行了交流，并已发表多篇高水平期刊研究论文（10篇SCI和4篇EI期刊论文，见研究成果）。 现有的研究进展表明该项基金的研究目标和任务已顺利完成。

本项研究将利用分析、数值以及实验测量等方法研究耦合热边界层从定常层流向非定常周期性流动的演化以及相应的传热。主要研究内容为：基于完成不同控制参数下的实验和数值模拟，分析和认识瞬态耦合热边界层内流，外流及混合流的基本流动结构；理解耦合热边界层不稳定流动形成机制以及垂直壁两侧不稳定流动的相互作用；研究耦合热边界层从定常层流到非定常周期性流动演化对控制参数的依赖，以期获得临界瑞利数与其它控制参数的定量关系；研究耦合热边界层内流，外流及混合流的传热对流动控制参数的依赖关系。本项研究获得的成果可以补充和扩展流动耦合效应方面的流体力学知识和概念，并可进一步应用到实际工业仪器设备的设计中，为其提供设计思路。

耦合传热是指固体壁面和两侧流体的传热。固体壁面和两侧流体的温度场将互相影响，通常必须同时确定。

耦合传热是指固体壁面和两侧流体的传热。固体壁面和两侧流体的温度场将互相影响，通常必须同时确定。通常传热问题要在一定边界条件下求解，然而实际具体问题往往并非完全如此，随着固体壁面和两侧流体间的传热，有限厚度或影响区内的温度场在不断改变。显然，固体壁面和液体内部的温度场必须同时求解确定。固体和流体界面很大程度并非问题解的热边界条件，实际上温度和热流都是一个更大系统的一部分，即要由固体壁面和两侧流体在一起的系统共同确定。

流固耦合传热计算 的关键是实现流体与固体边界上的热量传递。由能量守恒可知 ，在流固耦合的交界面 ，固体传出的热量应等于流体吸收的热量，因此 ，流固边界面上的热量传递过程可表示为

在求解流固耦合的瞬态温度场时，流体区域可按准稳态流场处理，即不考虑流场的动量和湍方程，则其控制方程式

固体区域控制方程以其基本导热方程表示为

流固交界面上不考虑发生的辐射、烧蚀相变等过程，则流固交界面上满足能量连续性条件，即温度和热流密度相等。具体控制方程式为

上述构成了流固耦合瞬态温度场控制方程，可以使用分区瞬态紧耦合算法进行求解。即在每个[t，t Δt]时间步长内，完成如下计算步骤：

1) 假定耦合边界上的温度分布，作为流体区域的边界条件。

2) 对其中流体区域进行稳态求解，得出耦合边界上的局部热流密度和温度梯度，作为固体区域的边界条件。

3) 求解固体区域，得出耦合边界上新的温度分布，作为流体区域的边界条件。

4) 重复 2) 、3) 两步计算，直到收敛。

流固耦合传热紧耦合

Stokos、Hooper、Kazemi-Kamyab等开发了将流体及固体内所有物理过程进行瞬态紧耦合算法，能使计算结果与实验结果高度吻合。但是，该瞬态紧耦合计算需要消耗大量的计算资源，难以用于解决实际复杂工程问题。

根据问题的特征，有些研究者近似认为在计算时间内，某些参数的状态是不变的，进而直接将瞬态问题转化为稳态问题。对于绝大多说不能通过准稳态处理直接转化为稳态问题的瞬态问题，有些研究者主张保留耦合的非稳态特性，提出各部分分别进行瞬态求解,并通过边界条件、参数值及活动网格等方式进行实时信息交互的瞬态松耦合传热问题的求解。如 Bauman 和Kazemi-Kamyab等针对高超声速流中固体表面带辐射及烧蚀相变过程的流固耦合强制对流传热问题，提出将流体 Navier-Stokes 方程与固体导热、辐射及烧蚀相变过程分别进行瞬态求解，并利用流体数值计算结果对其他求解方程的边界温度和热流加以修正，直至迭代收敛。Lohner 等针对飞机气弹分析中带固体形变的流固耦合传热问题，将流体 Navier-Stokes 方程及固体导热和应变方程分别求解，并利用流体数值计算结果对其他求解方程的边界温度和热流加以修正，同时利用固体应变方程的计算结果修正流体耦合边界位置和速度边界条件，直至迭代收敛。

流固耦合传热松耦合

有些研究者提出了基于准稳态流场的松耦合算法，即近似认为在整个流固耦合传热过程中，流场处于若干个准稳态，每一个准稳态的流场都使用稳态 Navier-Stokes 方程求解。如 Kontinos结合二维边界单元法和高超声速计算流体力学( CFD) 算法的松耦合算法，分析了高超声速流与机翼前缘的耦合传热问题。Chen 和Zhang等交替进行稳态流场计算与固体烧蚀和瞬态导热的松耦合算法计算了带烧蚀的流固耦合传热问题。2100433B