《对流换热讲义》PPT课件.ppt

瓦莲京娜 弗拉基米罗夫娜 捷列什科娃 1937年生 世界第一名女航天员 苏联空军少将 人类历史上进入太空的第一位女性 她还是技术科学副博士 两次被授予列宁勋章 荣获联合国和平金奖 世界上十几个城市的荣誉市民 月球背面的一座环形山以她的名字命名 斯韦特兰娜 萨维茨卡娅 1948年生 苏联运动健将和宇航员 竞速飞行记录的创造者和飞的最高记录的保持着 世界第二位女宇航员和世界首位女性太空行走者 她现在是俄罗斯联邦国家杜马共产党派的副主席 萨利 克里斯滕 赖德 1951年生 1979年起为宇航员 1983年6月18日成为 挑战者 号第二次飞行的宇航员之一 是美国进入太空的第一名女宇航员和美国最年轻的宇航员 也是世界上第三名进入宇宙的女宇航员 女宇航员所创造的最长飞行时间纪录是188天4小时14秒 她乘坐美国的 亚特兰蒂斯STS76 号宇宙飞船抵达 和平 号空间站 同年9月26日乘 亚特兰特蒂斯STS79 号返回地面 1995年2月3日 美国女宇航员艾琳玛丽柯林斯乘 发现 号航天飞机飞上太空 1999年 已经身为人母的柯林斯第三次进入太空 成为人类历史上第一位航天飞机女指令长 驾驶 哥伦比亚 号航天飞机完成了7月23日至27日的飞行 克里斯塔 麦考利夫 左 1948年生 她原本是一名普通中学教师 但遨游太空的梦想和美国航空和航天局 NASA 招募太空教师的决定让她走进了宇航界 朱迪丝 雷斯尼克 右 1949年生 犹太后裔 1978年 雷斯尼克被选入NASA的宇航员项目 在1984年8月 发现 号处女航时担任任务专家 卡尔帕纳 乔娜1994年 乔娜被NASA选中 参加为期一年的太空严格训练 身份是航天飞机太空任务专家 劳雷尔 克拉克1961年生 1996年又被选为宇航员 对流换热 对流换热 流体流过固体壁面情况下所发生的热量交换 对流换热以牛顿冷却公式为其基本计算式 即 或对于面积为A的接触面 其中 t为换热面积A上的平均温差 约定q及 总是取正值 因此 t及 tm也要求取正值 5 1对流换热概述 一 对流换热的分类 1 按动力分 强制对流 forcedconvection 由于泵 风机 或压差等流体本身以外的动力产生的流动换热 自然对流 naturalconvection 由于流体的密度差等流体本身的因素产生的流体流动换热 混合对流 mixedconvection 自然对流和强制流动换热并存 凝结换热 condensationheattransfer 物质由气态变为液态时发生的换热 熔化换热 meltingheattransfer 凝固换热 solidificationheattransfer 升华换热 sublimationheattransfer 凝华换热 sublimationheattransfer 相变换热 传热过程中有相变发生 物质有三态 固态 液态 气态 称三相 相变换热又分为 沸腾换热 boilingheattransfer 物质由液态变为气态时发生的换热 2 按有无相变分 层流流动换热 laminarheattransfer 紊流流动换热 turbulentheattransfer 4 按几何形状 管内 槽道内 流动 flowinducts 外部绕流 aroundverticalplant 3 按流动形式分 对流换热的分类表 无滑移边界条件 令上两式相等则有 则 二 对流传热的基本公式 h的确定方式 一 假设条件为简化分析 对于常见影响对流换热问题的主要因素 做如下假设 1 流动是二维的 2 流体为不可压缩的牛顿流体 3 流体物性为常数 无内热源 4 流速不高 忽略粘性耗散 摩擦损失 5 流体为连续性介质 5 2对流换热问题的数学描述 二 能量方程的推导 利用热力学第一定律有导入的净热量 流入的净热量 系统内的焓增在x方向上导入的净热量有 在y方向上导入的净热量 在x方向上流入的净热量 略去高次项后得 代入热力学第一定理得 单位时间内的微元控制体内的焓增 同理得Y方向上的净热量 1 连续性方程 continuityequation 2 动量守恒方程 momentumequation 惯性力 inertialforce 体积力 bodyforce 压力梯度 pressuregradient 粘性力 viscousforce 3 能量守恒方程 energyequation 能量变化 对流项 导热项 三 对流换热微分方程组 未知量 u v p t h方程 五个方程组是封闭的 可求解强烈非线性 4 换热微分方程 无滑移边界条件 1 初始条件2 边界条件 第一类边界条件 规定边界上流体的温度分布 第二类边界条件 给定边界上加热或冷却流体的热流密度 为何不用第三类边界条件 四 定解条件 解析解 解微分方程组数值解 计算机进行数值计算实验方法 理论分析法与实验相结合 比拟法 动量传递与热量传递相似性 五 求解方法 流速 V h V 0无对流物性 表征物质物理特性的物理量密度 density 粘性 viscosity 热导率 thermalconductivity 比热 specificheatcapacity 等 其他条件相同时 不同的流体换热量不同 就是因为物性不同流体及壁面温度定性温度 referencetemperature 六 影响对流换热的因素 流动状态 层流 紊流 壁面形状 位置形状 平板 圆管 位置 横放 竖放 管内 管外 综上所述 Newtoncoolinglaw只是一种处理方法 既将许多因素都加在h上 对流换热的内容实际都是讨论h如何确定 对于管内流动 一 边界层的概念 1 流动 速度 边界层 靠近壁面处流体速度发生显著变化的薄层边界层的厚度 boundarylayerthickness 达到主流速度的99 处至固体壁面的垂直距离 5 3边界层分析及边界层微分方程组 边界层的特点 1 有层流 laminarflow 紊流 turbulentflow 之分 分界点Rec 3X105 3X106 一般可取Rec 5X105在紊流区 贴壁面还有一极薄的层流底层 粘性底层 2 x x x 3 x x 4 流场分为 主流区 undisturbedflowregime potential 边界层区 boundaryregime 假如流体的温度为t t tw 将有热量传递 定义 在壁面附近温度发生显著变化的薄层 热边界层的厚度 过余温度 t tw 0 99 t tw 至壁面的距离 t边界层的特点 与流动边界层相同 2 热边界层 温度边界层thermalboundarylayer 在定义边界层厚度时 我们用u和t 在忽略体积力时 有 能量方程 如果 a 方程完全一样 因此他们的解也必定相同 也就是说其速度分布与温度分布完全相同 故 a就有重要意义 普朗特数 Prandtlnumber 动量方程 3 流动边界层与热边界层比较 运动粘度 粘性扩散的能力 热扩散率 热扩散的能力 粘性扩散 热扩散 常见流体 Pr 0 6 4000空气 Pr 0 6 1液态金属较小 Pr 0 01 0 001数量级 粘性扩散 热扩散 粘性扩散 热扩散 二 数量级分析方法及边界层换热微分方程组 在热边界层内 假设牛顿流体具有常物性 无内热源 耗散不计 稳态 二维 略去重力 已知 u t 的量级为0 1 t v的量级为0 以此六个量为分析基础 故 数量级定级为1 数量级定级为0 导数的数量级由因变量与自变量的数量级确定 所以 的数量级为1 这样可以对微分方程组进行简化 数量级一致 x方向的动量扩散可以忽略 最后 我们得到 x方向的导热可以忽略 其中dp dx是已知量 可由主流区理想流体的Bernoulli方程确定 忽略重力或平面流动 边界条件 上述方程的求解结果 层流 及局部换热系数为 1908 Blasius 1921 Pohlhausen 上式改写为 无量纲量称为努塞尔数 记为Nu 于是 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 上式称为特征数方程 习惯上称为准则方程或关联式 5 4准则数 雷诺数 毕渥数 贝克莱数 普朗特数 努塞尔数 格拉晓夫数 自然对流 naturalorfreeconvection 由于流体自身的温度场不均匀性引起的流动 密度是运动的动力 实例 暖器散热 电子元件散热 特点 速度分布两端小 中间大 温度分布与强制对流相似 一般情况下 不均匀稳度场只发生在靠近换热面的薄层内 形成自然对流边界层 与平板的类似 也有层流湍流之分 5 5自然对流换热及其实验关联式 分类 所研究对象周围无其它物体影响换热 只要边界层不受干扰即为大空间 有限空间自然对流 不满足大空间条件 大空间自然对流 其中 体膨胀系数 volumecoefficientofexpansion 对于理想气体pv RT 定性温度 一 大空间自然对流换热的实验关联式 例5 8室温为10 的大房间中有一个直径为10cm的烟囱 其竖直部分高为1 5m 水平部分长15m 求烟囱的平均壁温为110 时 对流散热量 例5 8室温为10 的大房间中有一个直径为10cm的烟囱 其竖直部分高为1 5m 水平部分长15m 求烟囱的平均壁温为110 时 对流散热量 解 定性温度 由附录 p187 查得 60 时空气的物性 1 烟囱竖直部分的散热 由前表知 2 烟筒水平部分的散热 所以 夹层内流体的流动 主要取决于以夹层厚度 为特征长度的Gr数 计算采用书上推荐的实验关联式 二 有限空间自然对流换热的实验关联式 例5 9一个竖封闭夹层 两壁由边长为0 5m的方形壁组成 两壁间距为15mm 温度分别为100 40 试计算通过此空气夹层的自然对流换热量 例5 9一个竖封闭夹层 两壁由边长为0 5m的方形壁组成 两壁间距为15mm 温度分别为100 40 试计算通过此空气夹层的自然对流换热量 解 定性温度为两壁的平均温度 从附录查得空气物性为 对于空气 按式5 42计算 即 所以 自然对流换热量按牛顿冷却公式计算 一 影响强制对流换热的因素 1 层流与紊流Re104旺盛紊流 5 6内部流动强制对流换热实验关联式 2 入口段的影响 流体进入管中 便形成边界层 其厚度从o点处逐渐增大 直至汇合 汇合点将管流分为两段 即入口段和充分发展段 充分发展段 沿管长截面上的速度分布不变的管段 也叫定性段 Laminarflow随着流动方向而增加 Turbulentflow开始同层流 进入紊流后 非定性段 截面上的速度分布随管长而变化的 在入口段 局部对流换热系数随流动方向而变化 如上图所示 其中 流体被加热流体被冷却 特征尺寸 圆管内径 定性温度 适用范围 充分发展