对流传热.doc

第一题：知识点总结（一） 对流传热概述1、 对流传热：流体流过固体壁时的热量传递。传热机理：热对流和热传导的联合作用热流量用牛顿冷却公式表示：=hAt其中对流传热面积A，温差t，对流传热系数h2、影响对流传热系数的因素（1）流动的起因：h强迫h自然 由于流动起因的不同，对流换热分为强迫对流传热与自然对流传热两大类。（2）流动速度：h湍流h层流 根据粘性流体流动存在着层流和湍流两种状态，对流传热分为层流对流传热与湍流对流传热两大类。（3）流体有无相变：同种流体发生相变的换热强度比无相变时大得多。（4）壁面的几何形状、大小和位置：对流体在壁面上的运动状态、速度分布和温度分布有很大影响。（5）流体的热物理性质：影响对流传热系数有热导率，密度，比定压热容cP，流体粘度，体积膨胀系数v。综上所述，影响对流传热系数h的主要因素，可定性地用函数形式表示为h=f（v，l，cP，或v，v，）（二） 流动边界层和热边界层1、 流动边界层特性：（1） 流体雷诺数较大时，流动边界层厚度与物体的几何尺寸相比很小；（2） 流体流速变化几乎完全在流动边界层内，而边界层外的主流区流速几乎不变化；（3） 在边界层内，粘性力和惯性力具有相同的量级，他们均不可忽略；（4） 在垂直于壁面方向上，流体压力实际上可视为不变，即py=0；（5） 当雷诺数大到一定数值时，边界层内的流动状态可分为层流和湍流。2、 热边界层定义：当流体流过物体，而平物体表面的温度tw与来流流体的温度tf不相等时，在壁面上方形成的温度发生显著变化的薄层，称为热边界层。 热边界层厚度：当壁面与流体之间的温差达到壁面与来流流体之间的温差的0.99倍时，即t-twt-tw=0.99，此位置就是边界层的外边缘，而该点到壁面之间的距离则是热边界层的厚度记为t。t与一般不相等。3、 普朗特数Pr流动边界层厚度反应流体分子动量扩散能力，与运动粘度v有关；而热边界层厚度t反应流体分子热量扩散的能力，与热扩散率a有关。Pr=a=cp它的大小表征流体动量扩散率与热量扩散率之比（三） 边界层对流传热微分方程组1、 连续性方程ux+vy=02、 动量微分方程根据动量定理可导出流体边界层动量微分方程 uux+vuy=Fx-px+2uy2流体纵掠平壁时uux+vuy=2uy23、 能量微分方程热扩散率a= cp边界层能量微分方程式：utx+vty=a2ty24、 对流传热微分方程hx=-ftw-tfxtxyy=0tw-tfx-x处的对流传热温差f-流体的热导率txyy=0-x处壁面上流体的温度变化率（四）、管内强迫对流传热1、全管长平均温度可取管的进、出口断面平均温度的算术平均值作为全管长温度的平均，即tf=12（tf+tf）2、 层流和湍流的判别由雷诺数Re大小来判别针对管内流动，当Re1104时为湍流； 2200Re10 R ef2200，Pr=0.517000，fw=0.0449.8，若 R efP rf dL10 则 Nuf=3.66+0.0668 R efP rf dL/1+0.04（R efP rf dL)23）fw0,14(五)、外掠物体时的强迫对流穿热1、纵掠平壁对层流强迫对流传热，局部对流传热系数hx和平均对流传热系数h的特征数关联式： Num=hxxm=0.332Rexm12Prm13Num=hLm=0.664 ReLm12Prm13使用范围为 0.6P rm50, R eL5105，属于湍流 Nu=（0.037R0.8-871）Pr13 =（0.03781050.8-871）0.713 =961 h=NuL=9610.0299/0.2=143.6W/(m2K) 散热量 =143.60.10.2（100-50）=143.6W例题3、在一摩托车引擎的壳体上有一条高2cm、长12cm的散热片(其长度方向与车前进方向平行)，其表面温度为150。若摩托车在20的环境中逆风前进，车速为30km/h，风速为2m/s，计算此时散热片的散热量？已知空气在85时的物性参数为：=3.0910-2 W（mK），v=21.610-6m2s Pr=0.691流体沿壁面流动时对流传热的实验关联式为： Nu=（0.037R0.8-871）Pr13 Num=hLm=0.664 ReLm12Prm13解：(1) 该题为空气平行流过平壁两侧的对流传热问题。根据题意，定性温度取流体与壁面的平均温度，即： tm=12tw+tf=（150+20）/2=85则题中所给数据可直接应用。计算雷诺数Re：Re=ul/v=301033600+21210-221.610-6=57389510-5，即流动为层流(2) 选取实验关联式为：Nu=0.664Re12Pr13 ，则Nu=0.66457389120.69113=140.6h=NuL= 140.63.0910-21210-2=36.2 W/(m2K)(3) 散热处的散热量可按牛顿冷却公式求得：=2hA（tw-tf）=236.2（12210-4）（150-20）=22.6W例题4、用热线风速仪测定空气流速的试验中，将直径为0.1mm的电热丝与来流方向垂直放置，电热丝温度为55，空气的来流温度为25，此时测得电加热的功率为20W/m。假设除对流外换热其他热量交换可忽略不计，试确定此时空气的来流速度。解：本题为空气横向绕流单圆柱体的强制对流换热。根据牛顿冷却公式可得 =hA tw-tfh=/A tw-tf=LDtw-tf=20/30140.0001（55-25）=2122 W/(m2K)取空气的定性温度为空气与电热丝壁面的平均温度tm，即 tm=12tw+tf=（55+25）/2=40查附录获得空气的物性参数值为=0.0276 W（mK）,V=16.9610-6m2s , Prm=0.699则努塞尔数Nu为 Num=hD= 21220.110-30.0276=7.689假设雷诺数Rem数值在404000之间，则 Num=CRemnPrm13查表得，上式中常数c=0.683,n=0.466，则代入数值得7.689=0.683Re0.4660.69913求得雷诺数Rem=233.12，因此其值在404000之间，符合假设。空气的来流速度为 vf=RemvD=233.1216.4610-60.110-3=39.54m/s第三题、举例1、 用铝制的水壶烧开水时，尽管炉火很旺，但水壶仍安然无恙。而一旦壶内的水烧干后，水壶很快就被烧坏。试用传热学的观点分析这一现象。解：用铝制的水壶烧开水时，由于壶内水与壶内表面之间的对流传热系数远远大于壶外空气与壶外表面间的对流传热系数，根据传热过程的特点，水壶的温度近似等于壶内水的温度，而壶内水的温度不超过100，因此水壶不会被烧坏。而一旦壶内的水烧干后，壶内壁面与空气发生自然对流传热，表面传热系数较小，此时水壶壁面温度接近于火焰的温度，而火焰的温度非常高，高于铝的温度极限，水壶很快就被烧坏。2、 当把盛有稀饭的碗放在水盆中冷却时，搅动稀饭和搅动水盆中的水，两种情况下稀饭冷却的速度一样吗？为什么？解：不一样。搅动稀饭冷却速度快，因为稀饭与水间的传热过程，稀饭侧热阻为主要热阻，要强化换热应首先从稀饭侧入手。而搅动稀饭时稀饭内部形成强迫对流，并且各时刻稀饭内的温度基本相同，加大了稀饭与外界间的传热温差，冷却速度快。3、