传输原理教案(第9章)传热.ppt

第九章 对流换热 p185 9.1 对流换热基本概念 对流换热是指 “相对于固体表面流动的” 流体与固体表面之 间的热量传输。 描述： 1. 对流换热是在流体流动进程中发生的热量传递现象。 2. 它是依靠流体质点的移动进行热量传递的。 3. 与流体的流动情况密切相关。 4. 当流体作层流流动时，在垂直于流体流动方向上的热 量传递，主要以热传导（也有较弱的自然对流）的方 式进行。 第二篇 ： 热量传输 1 n对流换热与热对流不同，对流换热既有热对流，也有导热 ；不是基本传热方式。 n对流换热实例： 暖气管道、风扇对电子器件冷却等 对流换热的特点： (1) 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程。 (2) 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有 温差。 第九章 对流换热 第二篇 ： 热量传输 总结： 对流换热：导热 + 热对流；壁面+流动 2 对流换热的分类： 1. 从流动起因分： 自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异 所产生的流动（Free convection） 强制对流：由外力（如：泵、风机）作用所产生的流 动（Forced convection） 第九章 对流换热 第二篇 ： 热量传输 3 2. 从换热表面的几何因素分： 内部流动对流换热：管内或槽内 外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束 3. 从流动状态分： 层流：整个流场呈一簇互相平行的流线。（ Laminar flow） 湍流：流体质点做复杂无规则的运动。 （Turbulent flow） 4 4. 从流体有无相变分： 单相换热： （Single phase heat transfer） 相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等 （Phase change）： Condensation、Boiling 5 6 7 9. 1. 1 温度边界层 流固界面对流换热： (1) 由于速度边界层的存在，导致温度边界层的产生。 (2) 温度边界层与速度边界层厚度一般不相等。 (3) 温度边界层同样有层流与紊流之分。 层流：热量传输以传导为主 紊流：热量传输以对流为主 (4) 紊流时，温度边界层在壁面法线上有: 层流底层区 ，过渡区， 紊流区 三个区域。 (5) 温度边界层特点： A: 较薄。 B: 沿厚度方向温度变化大。 8 速度边界层和温度边界层关 系： 1. 既有联系，也有区别。 2. 温度分布受速度分布的 影响，但是它们的分布曲线 并不相同。速度边界层厚度 和温度边界层厚度不相等。 9 紊流条件下的温度边界层分为三个区域： （1）紊流区 （p186特点） （2）过渡区， （3）层流底层区. 10 9. 1. 2. 牛顿冷却公式 （Newton，1702） h是对流换热系数，是一个把众多影 响对流换热因素综合而成的系数。 第二篇 ： 热量传输 第九章 对流换热 Ts, Tf 分别为璧面温度和流体温度， F是换热面积，h是对流换热系数， Q 是热流量， q是热流密度。 11 9.1.3. 对流换热系数 h 的计算式 固体壁面处（y=0）, 该处的热量传输只有导热。 导热速率对流换热速率 (9-3) 对流换热系数 h 的计算式， 也叫 “换热微分方程” 12 9.1.4 影响对流换热系数 h 的因素 p187 1 流体的物理性质：影响较大的物性如密度、比热cp 、导热系数、粘度等； 2 流体的状态：液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否 有相变。有相变时对流传热系数比无相变化时大的多； 3 流体的运动状况：层流、过渡流或湍流 (Re)； 4 流体对流的状况：自然对流，强制对流； 5 传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束 、管径、管 长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。 13 注意： 1. 流体物理性质与温度有关。 2. 用以确定物性的温度称 “定性温度”。 3. 定性温度的选择方式： n可以选择流体的平均温度， n可以选择璧面的平均温度， n可以选择二者的平均温度： 取Tm = 0.5(Tf+Ts) 14 9.2 对流换热的数学表达 p189 由能量守恒定律，有如下关系式： 对流输入的热量 对流输出的热量 +传导输入的热量 传导输出的热量 微元体内能的累积量 15 经推导，最后得到热量平衡方程 ：（9-5）和（9-6） 也叫做傅立叶-克希霍夫方程（F-K 方程） （9-5） （9-6） 实体导数 傅立叶克希霍夫导 热微分方程 条件：1) ，cp均为常数，不可压缩流体。 2) 无内热源，无粘性耗散。 纯固体导热（没有流动）：（8-10） 16 柱坐标系下的热量平衡方程 ： P.191, (9-7)式 （） 球坐标系下的热量平衡方程 ： P.191,(9-8)式（） 未知数：T，vx, vy, vz 引入三个动量平衡（N-S）方程 和 连续性方程 （引入p） 再加上对流换热微分方程： 观察（9-5）式 热量平衡方程 17 对流换热微分方程组： F-K 方程 (9-5)式 N-S 方程 (3-47)(3-49)式 连续性方程 (3-44)式 换热微分方程 (9-3)式 未知数：T，vx, vy, vz，p，h 理论上可以求解。 （见P.191） 18 9.3 流体流过平板时, 层流对流换热 p192 9.3.1. 平板边界层对流换热微分方程组 (层流，稳定) 换热微分方程（ 9-3） F-K方程 （9-9） N-S方程 （3-94） 连续性方程（ 3-92） 边界条件：（平板 温度不变） 1) y=0时， vx =0, vy =0, 1) T =TsT0 2) y=时， vx =v , T =T 19 从方程组看到，导热微分方程和运动微分方程形式一样，板 面温度不变时，边界条件也相似。显然，普朗特数/a 表达 了速度与温度分布的相似性。 定义普朗特数(物性准数) 普朗特数Pr表示：动量传输和热量传输能力的相对大 小。在边界层理论当中，Pr是速度边界层与温度边界 层的相对厚度指标。 Pr 1， a , T Pr1， T 20 方程组精确解 (实际包含了近似处理) 示于p.194，图9-8。 图9-8，各种Pr下的平板上层流 边界层内的无量纲温度分布 纵坐标无量纲温度 横坐标 关系与Pr有关。 Pr1，温度分布与速 度分布规律相同。 21 气体 Pr数一般为0.61，且几乎不随温度变化。 一般液体(水，有机液体等) Pr 1 (Pr=250), T 液态金属 Pr 0.5时， (9-15)式 0.006 Pr 0.03 时， (9-16)式 24 9.3.2. 平板边界层对流换热积分方程组 p195 （了解 ） 对于Pr/a 1，流体温度T，流速v，只考虑y方向上的导热 热量积分方程：(9-18) (1) 温度分布： 令 边界条件： 若令 25 得： 或 (9-20) 温度分布式 (2) 边界层厚度 将上式代回积分方程，并注意到 及 得 26 解之，得 由边界条件：x = x0 时，T0 （x0 为温度边界层起始位置） 得 27 (3) 求h 由温度分布式(9-20)，代入换热微分方程，得 28 平均换热系数 29 强调: 以上结果条件是 Pr 1 及T Tf，则边界层中流体温 度沿着y方向（远离壁面方向）上流 体温度Tf 单调递减。 （2） a. 壁面处，流体流速为零。 b. 在边界层外，由于无温度差，流 速度也为零。所以 y 方向有 vx 的极 大值。 41 （3） 在流动方向上，流速vx不 断增加（这与强制流动相反）， 存在层流向紊流的转度，边界层 厚度增加，对流换热因素降低， h 值减小。紊流区，h 值稳定。 42 9.6.1 垂直平板层流自然对流换热精确解 p212 A. 基本方程： (连续性方程动量平衡热量平衡) B. 边界条件： 壁面温度恒定 边界层外 43 C. Ostrach （奥斯特拉茨）解： 44 平均换热系数 45 D. 一般情况下，自然对流换热准数方程 例：垂直平板（圆柱） 其它，见P.214，