冶金传输原理-第7章 对流换热-2ppt课件

.,第7章对流换热,.,7.1对流换热概述,7.1.1对流换热和牛顿冷却公式,牛顿冷却公式和换热系数,对流换热的主要任务：,流体与固体壁面的对流换热,.,7.1对流换热概述,7.1.2影响对流换热的主要因素,一、影响因素,1.流动动力（起因）,2.流动状态,.,7.1对流换热概述,3.换热表面几何尺寸、形状、位置,几何形状：掠过平板、外掠圆管、管内流动等。,尺寸：对换热有决定影响的特征尺寸（板长、管径等）。,位置：,壁面几何因素的影响,u,.,7.1对流换热概述,4.流体的物理性质,影响换热的物性主要是：,.,7.1对流换热概述,物性相互间的联系和制约：主要反映在准则数值的大小上。,综上所述，有:,.,7.1对流换热概述,二、对流换热微分方程,贴壁处的无滑移边界条件：,将傅立叶定律用于贴壁流体层得,由牛顿冷却公式,联立以上两式，得:,式（7.3）即为对流换热微分方程式，该式描述了h与流体温度场的关系。,.,7.2对流换热微分方程组,7.2.1连续性微分方程,（3.27）或（7.4）式,7.2.2动量微分方程,(3.47)式,7.2.3能量微分方程,对于流动流体，传输热量的方式为：,导热+流体宏观位移+微元体中内热源生成的热量=微元体内能的增量,.,7.2对流换热微分方程组,在微元体中取一六面微元体，则x方向的对流换热量收支为（参见下图）：,dt时间内，由x处的截面进入微元体的热量为,.,7.2对流换热微分方程组,同时间内由x+dx截面流出微元体的热量为,式（a）-式（b）,并略去高次项，得：,同理，y方向和z方向上也可得出相应的关系式,.,7.2对流换热微分方程组,dt时间内，由对流进入微元体的总热量Q为,将此式代入对流流动时的热平衡关系式中，并令内热源为零（导热量项和内能增量项同第6章）。整理后得,.,7.2对流换热微分方程组,.,7.2对流换热微分方程组,7.2.4对流换热微分方程组,.,7.3热边界层概念,对流换热时，流体与壁面间存在传热温差。用细小的高灵敏的测温元件测出的温度沿壁面y方向的变化如下图所示。,热边界层壁面附近形成的温度急剧变化的流体簿层。,以热边界层外缘为界将流体分为两部分：沿y方向有温度变化的热边界层和温度基本上不变的等温流动区。,.,7.3热边界层概念,层流边界层中,沿y方向的热量传递依靠导热。,湍流边界层中，沿y方向的热量传递依靠流体微团的脉动引起的混合作用。,流体纵掠平壁时热边界层的形成和发展与流动边界层相似，,.,7.3热边界层概念,边界层厚度由流体中垂直于壁面方向上,流动,速度,热边界层厚度T由流体中垂直于壁面方向上,温度,分布确定的,分布确定的,反映流体分子动量扩散能力，与运动粘度有关,T反映流体分子热量扩散能力，与热扩散率a有关,定义普朗特数,高普朗特数流体，Pr=几十104（高粘性油）,低普朗特数流体，Pr=10-2（液态金属）,中等普朗特数流体，Pr=0.710（气体、水）,.,7.3热边界层概念,当流动边界层与热边界层同时生成和发展时，边界层厚度取决于普朗特数,.,7.4相似理论基础,一、相似的基本概念,1、几何相似,相似三角形,.,2、物理相似,当两个物理现象相似时，在空间相对应的点与时间相对应的瞬间，表征该现象特征的所有物理量必然各自保持一定的比例关系。,相似转换,当系统一、系统二相似时，则有,物理量w的相似倍数,把现象的相似简化为一般的几何相似,7.4相似理论基础,.,速度相似（运动相似）各对应点对应时刻上速度的方向一致，而大小互成比例，如下图所示，即,速度相似,7.4相似理论基础,.,质点A、B沿几何相似的路径作相似运动。对应的物理量和相关变量为速度v,运动途程l和时间.则存在,运动途径相似倍数,质点运动相似,时间相似倍数,速度相似倍数,7.4相似理论基础,.,或,比较（1）式和（4)式，有,质点A,B的运动方程分别为,两质点运动过程相似，则有,将式（3)代入式（2），则有,7.4相似理论基础,.,结论：彼此相似的运动现象必然存在着数值相同的综合量（相似准数）,物理相似运动相似、时间相似、速度相似、温度相似、开始条件和边界条件相似等。,7.4相似理论基础,.,二、相似三定理,1、相似第一定律相似现象的性质,彼此相似的物理量必然具有数值相等的同名相似准数。,该定律指明，实验时，必须测量出相似准数所包含的一切量。,2、相似第二定律现象相似的条件,凡是同一现象，如果定解条件相似，而且由定解条件的物理量所组成的相似准数在数值上相等，则这些现象必定相似。,该定律指明，实验时，为了保证模型与实物现象相似，必须使定解条件相似，而且，由定解条件组成的决定性准数在数值上要相等。,判断相似的充分必要条件,7.4相似理论基础,.,3、相似第三定律,描述一组相似现象的各个变量之间的关系可以表示为相似准数之间的函数关系。这种函数关系称为准数方程，表示为：,该定律指明，必须把实验结果整理成准数方程式。,7.4相似理论基础,准数方程式是在实验条件下得到描述该现象的基本微分方程组的一个特解，并且可以推广到与模型现象相似的一切现象中去。,.,三、相似理论求解物理方程,沿x方向的纳维尔斯托克斯方程为,1、粘性流体的动量平衡方程,2、相似转换解相似准数,()实际物体的运动（“）实验室模型的运动,7.4相似理论基础,.,各物理量的相似倍数为,7.4相似理论基础,.,将相似变换式（7）代入式（6）进行相似变换可得,7.4相似理论基础,.,将式（8）与式（5）比较可得,7.4相似理论基础,.,对于A、B两项，有,原型、模型相等,则A、B两项的相似倍数要满足下式，即相似指标等于1,将各相似倍数的关系代入得,7.4相似理论基础,.,对于B、C两项有,对于B、D两项有,表示流体的惯性力与粘性力的比值。,7.4相似理论基础,.,对于B、E两项有,7.4相似理论基础,.,对相似准数进行形式上的变换派生相似准数,称为伽利略准数，表示重力与粘性力之比。,表示阿基米德准数，表示由于流体密度差引起的浮力与粘性力之比。,相似转换时，相似准数的形式是可以改变的，但独立的相似准数个数却是不变的（例如粘性流体流动的独立相似准数就是上述4个）。,7.4相似理论基础,.,称为格拉晓夫准数，表示气体上升力与粘性力之比。,不是独立的而是派生的，所以称为派生准数。,7.4相似理论基础,若密度差取决于，令表示气体膨胀系数，则,代入上式得,.,3、确定准数方程,对粘性流体的流动写成准数方程时为,被决定准数,准数函数式的简化,流体管内稳态流动时，可不考虑;,强制流动时，可不计重力和浮力的作用，即可不计.,此时（2）式可简化为,函数的具体形式则要由实验来决定。,7.4相似理论基础,.,4、由准数方程导出物理方程的经验式,将各有关物理量代回准数方程则求得所研究物理过程的实验式，一般称为物理方程的经验公式。,7.4相似理论基础,综上:在相似理论的指导下，建立与实际问题相似的模型，并对模型进行实验研究，把所得的结论推广应用到实际问题中。,.,7.5相似模型分析应用,7.5.1模型相似的条件,1、几何相似;2、物理过程;3、定解条件,7.5.2近似模型法,1、流体流的稳定性;2、流体流动的自模化;3、温度的近似模拟,7.5.3模型设计,用相似理论求解对流换热问题时需要注意的几个方面：,.,2、对流换热系数h的求解间接实验法，即在模型上实验而不在实物上实验。原因：（1）;(2),3、如何进行实验在相似理论指导下实验，包括以下三方面：,（1）如何保证模型所得实验结果可用于实物,依据：相似第一定理（给出了应测的物理量）,（2）如何设计实验模型，保证模型与实物相似,依据：相似第二定理（定解条件相似，同名定解条件组成的相似准数相同）,相似模型法求解对流换热问题归纳,.,（3）如何整理和使用实验结果,依据：相似第三定理（整理成准数方程）,由于准则数通常包括3个和3个以上的物理量，从而使关系式中自变量大大减少，例如，管内强迫对流换热,.,7.6自然对流的换热计算,竖壁自然对流局部换热系数hx的沿程变化,.,7.6自然对流的换热计算,一、边界层的形成与发展,TW的垂直壁面与Tf的无限流体接触时（TWTf），产生的温度分布和速度分布示于下图。,垂直平壁自然对流时的温度分布和速度分布,热边界层壁面附近温度由壁温TW变化到主流温度Tf的这一流体薄层。T=T（x）.,速度边界层壁面处流体速度为零，速度边界层外缘流体仍处于静止状态，在离壁面某距离处流体向上流动的速度有一最大值。,X,u,.,7.6自然对流的换热计算,二、计算对流换热系数的准则方程,式中，C和n是由实验确定的常数，不同情况的C和n值列于表7.1中,定性温度:,上述准数关系式适用的条件：为常数。,简化计算公式：,一个大气压、TCP=50左右，空气与表面换热时，有,Gr称为格拉晓夫准数，表示气体上升力与粘性力之比。,.,7.6自然对流的换热计算,7-1,.,7.7强制对流的换热计算,7.7.1外掠平板,(1)流动特征（见图7.2）,(2)临界雷诺数（层流湍流）,(3)计算平均表面传热系数的准则关系式,平壁表面的对流换热系数,.,7.7强制对流的换热计算,7.2.2横掠圆柱,(1)流动特征,流体横向掠过圆柱管时的流动特点,流体绕圆柱体流动的部分范围内（层流，=8085，湍流流，140）为边界层形态流动；超出此范围，流体产生回流和漩涡。,Re数很小时（例如Re10)不会出现分离现象。,.,7.7强制对流的换热计算,恒热流横掠单管的努塞尔数Nu随角和Re变化,横掠单管的局部对流换热系数,.,7.7强制对流的换热计算,（2）计算准则关系式,C、n值表7.2,适用对象双原子气体、烟气。,.,7.7强制对流的换热计算,（3）冲击角及其影响,冲击角流体流动方向与圆柱轴线的夹角。,上述各公式均为冲击角为900的正面冲击情况。,斜向冲击时，换热削弱，需用经验击角修正系数来修正，即,.,7.7强制对流的换热计算,7.7.3绕流球体,.,7.7强制对流的换热计算,7.7.4管内流动,管内单相流体强迫对流换热的工程应用,冷却水在内燃机气缸冷却夹套和散热器中的对流换热,机油在机油冷却器中对流换热,锅炉中水蒸气在过热器中对流换热及烟气在管式空气换热器中的对流换热等,.,7.7强制对流的换热计算,(1)临界雷诺数ReC,(2)计算h的准则关系式,湍流换热实验准则式,式中，定性温度Tf可取,式（7.31）使用的限制条件,.,7.7强制对流的换热计算,超出以上限制条件，产生较大误差，如下图所示：,粘度随温度变化对速度场的影响,液体被冷却时，壁面附近T，u，,流量Q不变，中心处的u曲线2;,液体被加热时，壁面附近T，u，,流量Q不变，中心处的u曲线3;,曲线1等温流时的速度分布,曲线2液体被冷却时的速度分布,曲线3液体被加热时的速度分布,壁面处曲线3的温度梯度曲线2加热液体时的h冷却液体时的h这就是不均匀性物性场,问题：如果液体换为气体，速度场及h值如何变化？,.,7.7强制对流的换热计算,速度场的变形必引起传热规律的变化，从而导致误差。超出以上限制时，须考虑不均匀物性的影响，可选用以下实验准则式,几点讨论：,（1）非圆形管,定型尺寸采用当量直径,.,7.7强制对流的换热计算,（2）入口段修正,对于平均换热系数h：,.,7.7强制对流的换热计算,（3）弯管修正系数,流体在弯管中流动，离心力使流体中形成二次环流，增加了扰动，使h增加。所以对弯管，式（7.31）需乘以一管道弯曲修正系数。,螺旋管中形成的二次环流,.,7.7强制对流的换热计算,（4）管内层流换热时附加自然对流的影响,综合流自由流动的影响不可忽略的流动,可根据浮升力与惯性力的相对大小来确定流动状态（纯强迫流动或综合流动）。,.,第7章对流换热,（3）按照规定选取特征尺寸（准则数Nu、Re和Gr中的几何尺寸称为特征尺寸）。,（4）按规定选用特征流速(强迫对流换热准则数关系式中计算雷诺数Re所选用的流速称为特征流速),特征温度、特征尺寸和特征流速常称为对流换热的三大特征量。,（5）正确选用各种修正系数。,（2）按规定选取特征温度Tc(查取流体物性参数的温度称为特征温度)。,（1）根据对流换热的类型和有关参数的范围选择所需要的准则数方程，不能弄错。,对流换热准则数方程的正确使用,.,作业,138-139页