[西安交通大学]高等传热学chap.ppt

Chap. 3 Laminar external boundary layers 高等传热学 Advanced Heat Transfer 1.The Governing Eqs & BCs 3-1 laminar forced convection over a flat plate 研究对象：常物性，不可压缩流体，2D，忽略黏性耗 散，无内热源，无体积力，u，Tconst x y 0 l x d u 主流区 边界层区 高等传热学 Advanced Heat Transfer 7个BC： 高等传热学 Advanced Heat Transfer 2.The flow solution x1与x2处，层流速度并不相似，但都从0-u 引入 ： 不唯一 高等传热学 Advanced Heat Transfer 引入流函数 相似解若存在，则 高等传热学 Advanced Heat Transfer 高等传热学 Advanced Heat Transfer 高等传热学 Advanced Heat Transfer 黏性力 惯性力 无量纲切向速度 无穷级数（1908，Blasius）；数值积分解 Blasius Eq. 高等传热学 Advanced Heat Transfer 平板层流边界层的布拉修斯解 高等传热学 Advanced Heat Transfer 上述值与实验测定值符合，证明了Prandtl边界层理论 高等传热学 Advanced Heat Transfer 3.The heat transfer solution ： 引入 ： 高等传热学 Advanced Heat Transfer Pohlhausen Eq. 二阶线性常微分方程 三阶非线性常微分方程 高等传热学 Advanced Heat Transfer 直接积分求解： 高等传热学 Advanced Heat Transfer 壁面热流： 高等传热学 Advanced Heat Transfer 分段拟合： 高等传热学 Advanced Heat Transfer 1.The Governing Eqs & BCs 3-2 laminar forced convection with pressure gradients 研究对象：常物性，2D，低速层流 高等传热学 Advanced Heat Transfer 存在相似解 高等传热学 Advanced Heat Transfer 2.Flow solutions 高等传热学 Advanced Heat Transfer Falkner-Skan Eq. 三阶非线性常微分方程 引入相似变量不同所致 代入动量方程 高等传热学 Advanced Heat Transfer 解的三种特例 高等传热学 Advanced Heat Transfer 获得速度分布后 高等传热学 Advanced Heat Transfer 3.Heat transfer solutions 高等传热学 Advanced Heat Transfer 代入边界层能量方程 二阶齐次线性常微分方程 高等传热学 Advanced Heat Transfer Pr=1 ? Pr=1,=0 高等传热学 Advanced Heat Transfer 壁面热流： 高等传热学 Advanced Heat Transfer 高等传热学 Advanced Heat Transfer 应用边界层概念应注意的问题: (1)上述边界层概念及分析是以沿平板的无界外部流 动为例进行介绍的，内部流动的边界层情况不同 (2)在平板前缘很短的一段距离内，边界层理论不适 用 (3)若出现边界层脱体，或发生回流情况，边界层的 特性也将改变 高等传热学 Advanced Heat Transfer 通过引入适当的相似变量，变换边界层动量方程 ，能量方程与边界条件，消除其对x的依赖关系， 将偏微分方程转化为常微分方程。 但相似解存在条件苛刻。 求解不相似层流边界层问题 数值求解，将偏微分方程离散成代数方程 局部相似解和局部不相似解 边界层积分方程 对于工程实际情况，复杂壁面，复杂BC，任意变化的位流 速度，依赖于近似解；但积分方程所包含的动量、热量以 及质量传递信息比边界层微分方程要少，近年来已被高精 度的数值计算所代替。 高等传热学 Advanced Heat Transfer 3-3 Integral Equation 一、边界层积分方程组 1.基本思想 边界层微分方程:要求对边界 层内每一个微元体都满足守恒 定律 边界层积分方程:对包括固体 边界及边界层外边界在内的有 限大小的控制容积满足动量及 能量守恒定律即可。 高等传热学 Advanced Heat Transfer 能量平衡 高等传热学 Advanced Heat Transfer 2.Note: (1)由有限控制体方法推导积分方程时，只要求在其研究的 区域内以整体方式满足守恒方程，而不像微分方程要求 在其区域内每一点上满足守恒方程。 (2)从数学上看，对于由微分方程得到的积分方程，满足原 微分方程的解一定满足积分方程，而满足积分方程的解 不一定满足原微分方程（弱解） (3)积分方程忽略了v方向的动量和能量的变化，因此积分方 程包含的流场和温度场的信息比各自相应的边界层微分 方程要少。 (4)积分方程不能给出求解区域上每一点速度、温度分布的 精确结果。 高等传热学 Advanced Heat Transfer 3.用边界层积分方程求解对流换热问题的基本步骤 : (1)针对包括固体边界及边界层外边界在内的有限大小的控 制容积，建立边界层积分方程(对有限大小的控制容积建 立动量及热量平衡/对边界层微分方程作积分) (2)对边界层内的速度和温度分布作出假设，常用的函数形 式为多项式 (3)利用边界条件确定速度和温度分布中的常数，然后将速 度分布和温度分布代入积分方程，解出和t的计算式 (4)根据求得的速度分布和温度分布计算固体边界上的 高等传热学 Advanced Heat Transfer 能量积分方程 ： 动量积分方程 ： 两个方程，4个未知量：u, t, , t 。要使方程 组封闭，还必须补充两个有关这4个未知量的方 程。这就是关于u 和 t 的分布方程。 高等传热学 Advanced Heat Transfer 4.动量积分方程求解 高等传热学 Advanced Heat Transfer 5. 能量积分方程求解 离散的电子发热模块 高等传热学 Advanced Heat Transfer 如何利用已求解的速度分布？ 假设流体Pr1，则t，整个温度边界层处于速度边界 层内 高等传热学 Advanced Heat Transfer 将 的表达式代入上式 高等传热学 Advanced Heat Transfer 变量分离积分 关于3的一阶线性常微分方程 高等传热学 Advanced Heat Transfer 换热 高等传热学 Advanced Heat Transfer Note: 如果x0=0，全板长都有换热 高等传热学 Advanced Heat Transfer If Pr UWT UHF的壁面温度梯度更大。层流的热边界条件影响 较大。而湍流不明显 高等传热学 Advanced Heat Transfer 7. Flat plate with varying surface temperature 方程具有线性齐次特征(速度场与温度场不耦合的情况) ，在一些特定情况下，获得的特解，叠加仍是原方程的 解superposition principle。叠加方法是传热传质学基本研究 方法之一 高等传热学 Advanced Heat Transfer 各含一个非齐次BC 高等传热学 Advanced Heat Transfer 高等传热学 Advanced Heat Transfer 8. 用积分方程求解时注意的问题 完整的数学描写：椭圆型非线性偏微分方程 边界层方程：抛物线型非线性偏微分方程 积分方程：常微分方程 用积分方程求解时，得到的解不是唯一的 积分方程解的误差 q常微分方程 q解的精度与假设的速度，温度分布有关(相容性边界条件 ) 边界层厚度的定义随假定的速度与温度分布表达式相关 ，比较边界层厚度绝对值毫无意义，最好用无量纲形式表 达积分方程的解。 高等传热学 Advanced Heat Transfer 3-4 其他情形 1.The properties of fluids depend on temperature Water(0-100): m= -6, n=0.95-0.22 高等传热学 Advanced Heat Transfer Introduce: 利用龙格库