热量传递之对流传热分析.doc

对流传热分析摘要：通过本章的学习，我们掌握对流传热的机理及其影响因素，边界层概念及其应用。通过讨论运动方程、连续性方程、能量方程为基础，结合量纲分析理论，解释对流传热的机理，探讨强制对流的机理，探讨强制对流传热、自然对流传热等的基本规律。关键词：对流；传热；边界层靠气体或液体的流动来传热的方式叫做对流。液体或气体中较热部分和较冷部分之间通过循环流动使温度趋于均匀的过程。对流是液体和气体中热传递的主要方式，气体的对流现象比液体明显。对流可分自然对流和强迫对流两种。自然对流往往自然发生，是由于温度不均匀而引起的。强迫对流是由于外界的影响对流体搅拌而形成的。1 对流传热概述对流换热指流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程。在对流换热过程中，流体内部的导热与对流同时起作用。研究对流换热的目的是揭示表面传热系数与影响对流换热过程相关因素之间的内在关系，并能定量计算不同形式对流换热问题的表面传热系数及对流换热量。影响对流换热的因素主要有，流动的起因：流体因各部分温度不同而引起密度差异所产生的流动称为自然对流，而流体因外力作用所产生的流动称为受迫对流，通常其表面传热系数较高。流动的状态：流体在壁面上流动存在着层流和紊流两种流态。流体的热物理性质：流态的热物性主要指比热容、导热系数、密度、粘度等，它们因种类、温度、压力而变化。流体的相变：冷凝和沸腾是两种最常见的相变换热。换热表面几何因素：换热表面的形状、大小、相对位置及表面粗糙度直接影响着流体和壁面之间的对流换热。2 边界层和平板壁面对流传热2.1 边界层由于对流换热的热阻大小主要取决于紧靠壁面附近的流体流动状况，而该区域中速度和温度的变化最为剧烈。因此，将固体壁面附近流体速度急剧变化的薄层称为流动边界层，而将温度急剧变化的薄层称为热边界层。流动边界层的厚度通常规定为在壁面法线方向达到主流速度99处的距离。而热边界层的厚度为沿该方向达到主流过余温度99处的距离。不一定等于，两者之比决定于流体的物性。读者应熟练掌握流动边界层和热边界层的特点及两者的区别，这是进行边界层分析的前提。边界层极薄，其厚度、与壁面尺寸相比都是很小的量。边界层内法线方向速度梯度和温度梯度非常大。边界层内存在层流和紊流两种流态。引入边界层的概念后，流场可分为边界层区和主流区。边界二维稳态无内热源层流边界层对流换热方程组由动量微分方程、连续性方程、能量微分方程组成，即： (1) (2)利用边界层理论，可将原本需整个流场求解的问题，转化为可分区（主流区和边界层区）求解的问题。其中，主流区按理想流体看待，而边界层区用边界层微分方程组求解。层区是流体粘性起作用的区域，而主流区可视为无粘性的理想流体通过经一步简化可得边界层能量方程为： (3)对于平板层流传热、其对流传热系数可以通过理论分析法求解（精确解），也可以通过与卡门边界层积分动量方程类似的热流方程得到，而对平板湍流传热系数的计算，则可以通过热流方程的方法来解决。边界层传热的另一中较为简单求解方法是温度边界层热量流动方程。通过微分简化计算可得： (4)该方程的推到并未考虑散逸热速率因而意味着流动流速并不高，流体的粘性也不是很大。流体层流通过通过平板壁面传热时的近似解，可仿照速度分布的情况，假设其可以表示成一个三次多项式的形式，即： (5)通过一系列的变换代换可以整理的 (6）2.2 对流传热系数的计算分析平板层流边界层换热问题的一种近似方法是，通过分析流体流过边界层任一微元宽度时的质量、动量及能量守恒关系，导出边界层积分方程组。它与边界层微分方程组的不同在于，它不要求对边界层内每一微元都满足守恒定律，而是只要求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守恒定律即可。流体流经平板壁面并进行稳态传热时的对流传热时的对流传热系数h可通过微分导出，通过一系列简化可以得出： （7）3 管内对流传热对于流体在圆形直管内作强制对流传热时，研究表明，管内强制对流存在三个不同的区域：当Re10000时，流体的流动为旺盛湍流状态，一般认为2300Re10000区域得流动为过渡状态，在三个区域内流体的对流传热规律不同。对于湍流状态的对流传热规律是较容易关联的，过渡状态的对流传热很难关联成一个准确的计算式，而层流状态的强制对流还与自然对流有关，即与Gr数有关。由于强制对流的流体流动中存在温度差异，必将同时引起附加的自然对流。当雷诺数较大时，自然对流的影响很小，可以忽略不计。当流体由大空间流入一圆管时，流动边界层有一个从零开始增长直到汇合于圆管中心线的过程。类似地，当流体与管壁之间有热交换时，管内壁上的热边界层也有一个从零开始增长直到汇合于圆管中心线的过程。通常将流动边界层及热边界层汇合于圆管中心线后的流体流动或对流传热称为已经充分发展的流动或对流传热，从进口到充分发展段之间的区域则称为入口段。入口段的热边界层较薄，局部对流传热系数比充分发展段的高，随着入口的深入，对流传热系数逐渐降低。如果边界层中出现湍流，则因湍流的扰动和混合作用会使局部对流传热系数有所提高，再逐渐趋向一定值。对于管内强制对流，实验表明，热入口段的长度lt与管内径d之间存在以下关系层流时管壁上温度恒定 : (8)通常，工程上的对流传热主要讨论全管长上的平均对流传热系数。当热入口段的长度远小于管长时，入口段的传热对全管长的传热影响可以忽略，总的平均对流传热系数与充分发展条件下的局部对流传热系数非常吻合。当入口段的影响不能忽略时，则应引入管径与管长的比值加以修正。下面将针对不同情况下流体在管内作强制对流传热时的实验关联式分别进行讨论。3.1 流体在光滑圆形直管内作强制湍流由于流体呈湍流时有利于传热，故工业上一般使对流传热过程在湍流条件下进行。实用上使用最广的关联式是迪图斯-贝尔特公式，即 (9) 式中:当流体被加热时，n=0.4； 当流体被冷却时，n=0.3。上式适用于流体与管壁温差不大的场合，对于气体，其温差不超过50；对于水，其温差不大于2030；对于粘度随温度变化较大的油类其值不超过10。上式适用的条件为：Re=1.01041.2105，Pr=0.7120, 显然，当流体在管内作对流传热时，管截面上各点的流体温度不同，就会引起流体粘性的变化，从而导致速度分布的变化。这种变化在流体被加热或被冷却时情况不同，图4-20示出速度分布的这种差别。当液体被冷却时，由于液体的粘度随温度降低而增大，因而近壁处液体的粘度较管中心处的大，与等温流动相比，近壁处流体温度低，粘度大，流速小，而在管中心处流体的温高，粘度小，流速大，当液体被加热时，情况恰好相反。至于气体，由于气体的粘度随温度升高而增大，气体的速度分布变化正好与液体的情况相反。总之，流体被加热或被冷却时的速度分布不同于等温流动，这种变化将引起近壁处流体的温度梯度的变化和湍流时层流底层厚度的变化，从而导致了对流传热系数的变化。因此，当液体被加热或气体被冷却时的对流传热系数比液体被冷却或气体被加热时大。对于粘度较大的流体，这种影响更为明显。为了补偿管内温度分布不均匀对对流传热的影响。当温差超过推荐的温差范围时或对于粘度较高的液体，由于管壁温度与流体的主体温度不同而引起壁面附近与流体主体处粘度相差较大，如果采用迪图斯-贝尔特公式，则计算的误差较大，因此可以采用西德尔-泰特公式进行计算 (10)3.3 流体在光滑圆形直管内作强制层流流体在圆形直管中作层流强制对流传热的情况比较复杂，因为附加的自然对流往往会影响层流对流传热。只有在小管径，且流体与管壁的温度差别不大的情况下，自然对流的影响才能忽略。在工程实际中，可采用下述经验关联式计算 (10)式中，除了mw以外，定性温度均取流体的平均温度，特征长度为管内径d。适用范围为：Re2300 ，0.7Pr6700, 管长与管内径之比 。3.2 流体在圆形直管内呈过渡流时的对流传热系数管内流动处于过渡流状态时，即在2300Re10000的范围内，其传热情况比较复杂。在此情况下的对流传热系数可先用湍流时的经验关联式计算，然后将计算所得到的对流传热系数再乘以小于1的修正系数，即 (11)流体作层流时的对流传热系数关联式有多种不同的形式，但到目前为止还不成熟，计算误差较大。4 总结对流传热是热量传递的三种基本方式之一。化工生产中处理的物料大部分是流体，流体的加热和冷却都包含对流传热。在化工生产中，对流传热在习惯上专指流体与温度不同于该流体