考研华科动力机械复试内燃机09第五章对流换热的理论基础.ppt

1.边界层的基本概念,引入边界层的原因：对流换热热阻的大小主要取决于 靠近壁面附近流体的状况,因为这里u、t变化最为剧烈。,1)速度边界层,流体在壁面附近有一薄层具有明显的速度梯度，称为速度边界层.,(1)定义：,图5-5 边界层示意图,L,5-3 边界层型对流换热问题的数学描述,图5-7 掠过平板时边界层的形成和发展,平板边界层的形成（一般对平板：Recr500000）,(2)换热特点:,(3)规定：,将物体表面到流体达到来流速度u的99%处的厚度作为速度边界层的厚度。,湍流边界层厚度：,层流边界层厚度：,2)边界层的几个重要特征,(d）边界层流动状态分为层流和湍流，湍流边界层内紧靠 壁面处保持层流性质，称为粘性底层 边界层内壁面的法线方向的速度变化非常剧烈.,(c）主流区的流动可视为理想流体的流动,用描述理想流体 的运动微分方程求解,(a）流场可分为主流区和边界层区,(b）与物体的长度相比，边界层的厚度很小,边界层的厚度沿长度方向逐渐增加,(1)几个重要特征,临界点,速度边界层中有层流和紊流，判别层流和湍流的准则数是雷诺数:,板长,层流边界层;,混合边界层;,湍流边界层.,湍流边界层的厚度：,层流边界层厚度：,(2)判别:,流体在壁面附近有一薄层具有明显的温度梯度，称为温度边界层，也称为热边界层，厚度用 表示。,tf,tf,t,t,0.99tf,1.01tf,y,y,t=f(y),t=f(y),tw,tw,tftw,tftw,(1)定义：,x,x,图5-8 热边界层,3)热边界层,热边界层的厚度与速度边界层的厚度有关，一般来说并不相等。,两种边界层并非同时形成于平板前缘。,速度边界层形成于平板前缘。,热边界层形成于有温差的地方。,(2)特点:,假设：层流流动; 两种边界层同时形成于平板前缘; 在 的条件下;用近似积分法可得:,Pr数反映了流体中分子的动量扩散和热量扩散的相对程度。,式中：Pr 为无量纲量，称为普朗特准则:,4)速度边界层厚度与热边界层的关系,2换热微分方程组,tw,y,x,q,局部热流密度按牛顿计算公式为,局部热流密度按付立叶定律,根据热边界层理论，热边界层的平均温度梯度,层流边界层,则得,湍流边界层，设层流底层与湍流支流层交界面温度为 tc，热量以导热方通过层流底层,牛顿公式,从上两式可得,1)换热微分方程,常物性、不可压缩流体二维稳定流动时，其边界层对流换热微分方程组简化为,连续性方程：,动量方程：,能量方程：,换热方程：,几何条件：换热物体的形状和尺寸；,2)单值性条件,(2) 物性条件：流体的种类以及热物性参数；,(4) 边界条件：流体边界面上的速度和温度等；,(3) 时间条件：过程起始时刻的速度和温度等值， 若为稳定过程就没有时间条件。,对流换热问题一般只有第一类(给定温度)和第二类(给定热流)。,速度均匀 u,温度均匀 tf,平壁上面温度tw,边界条件可表示为,求解这个微分方程组，可得速度边界层厚度:,壁面上的粘性切应力:,3.微分方程组的分析求解简介,主流区,边界层区,求解结果：,局部表面传热系数：,外掠等温平板的无内热源的层流对流换热问题的分析解为：,式(5-19)以特征数形式表示的对流换热计算式称为特征数方程,习惯上称为准则方程或关联式.,速度边界层与热边界层有何区别？有何共同点？为什么速度边界层愈厚时，热边界层也愈厚？,思 考 题,1. 边界层积分方程及主要求解结果,摩擦系数:,求解结果:,边界层中的速度分布为,离开前缘处的边界层厚度的无量纲表达式为,在处的局部壁面切应力为,5-4 流体外掠平板传热层流分析解及比拟理论,在长度为l的一段平板