对流换热原理1

2020/5/3,1,传热学,主讲：黄晓明能源与动力工程学院华中科技大学,2020/5/3,2,4-1对流换热概述4-2层流流动换热的微分方程组4-3对流换热过程的相似理论4-4边界层理论4-5紊流流动换热,第四章对流换热原理,2020/5/3,3,2020/5/3,4,2020/5/3,5,4-1对流换热概述,1对流换热过程,对流换热定义：流体和与之接触的固体壁面之间的热量传递过程，是宏观的热对流与微观的热传导的综合传热过程。对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式对流换热实例：1)暖气管道;2)电子器件冷却,2020/5/3,6,对流换热的特点：(1)流体的宏观运动+微观的导热(2)流动与换热密不可分(3)对流换热的机理与通过紧靠换热面的薄膜层的热传导有关特征：以简单的对流换热过程为例，对对流换热过程的特征进行粗略的分析。,2020/5/3,7,图表示一个简单的对流换热过程。流体以来流速度u和来流温度t流过一个温度为tw的固体壁面。选取流体沿壁面流动的方向为x坐标、垂直壁面方向为y坐标。,Whenthefluidmoleculesmakecontactwithsolidsurface,whatdoyouexpecttohappen?,2020/5/3,8,1.theywillreboundoffthesolidsurface2.theywillbeabsorbedintothesolidsurface3.theywilladheretothesolidsurface,2020/5/3,9,壁面对流体分子的吸附作用，使得壁面上的流体是处于不滑移的状态（此论点对于极为稀薄的流体是不适用的）。,又由于粘性力的作用，使流体速度在垂直于壁面的方向上发生改变。流体速度从壁面上的零速度值逐步变化到来流的速度值。,2020/5/3,10,同时，通过固体壁面的热流也会在流体分子的作用下向流体扩散(热传导)，并不断地被流体的流动而带到下游（热对流），也导致紧靠壁面处的流体温度逐步从壁面温度变化到来流温度。,2020/5/3,11,2对流换热的分类,对流换热：导热+热对流；壁面+流动流动起因自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动（Freeconvection）强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动（Forcedconvection）,2020/5/3,12,2020/5/3,13,流动状态层流：整个流场呈一簇互相平行的流线（Laminarflow）湍流：流体质点做复杂无规则的运动（Turbulentflow）,紊流流动极为普遍自然现象：收获季节的麦浪滚滚，旗帜在微风中轻轻飘扬，以及袅袅炊烟都是由空气的紊流引起的。,2020/5/3,14,2020/5/3,15,流体有无相变单相换热相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化流体与固体壁面的接触方式内部流动对流换热：管内或槽内外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束流体运动是否与时间相关非稳态对流换热：与时间有关稳态对流换热：与时间无关,2020/5/3,16,2020/5/3,17,3对流换热系数与对流换热微分方程,当流体与壁面温度相差1时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量.,对流换热系数(表面传热系数),确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问题.,2020/5/3,18,对流换热过程微分方程式,壁面上的流体分子层由于受到固体壁面的吸附是处于不滑移的状态，其流速应为零，那么通过它的热流量只能依靠导热的方式传递。,由傅里叶定律,通过壁面流体层传导的热流量最终是以对流换热的方式传递到流体中,2020/5/3,19,或,对流换热过程微分方程式,h取决于流体热导率、温度差和贴壁流体的温度梯度温度梯度或温度场与流速、流态、流动起因、换热面的几何因素、流体物性均有关。速度场和温度场由对流换热微分方程组确定：连续性方程、动量方程、能量方程,2020/5/3,20,4-2层流流动换热的微分方程组,为便于分析，只限于分析二维对流换热,假设：a)流体为不可压缩的牛顿型流体，（即：服从牛顿粘性定律的流体；而油漆、泥浆等不遵守该定律，称非牛顿型流体）,b)所有物性参数（、cp、）为常量,2020/5/3,21,4个未知量：速度u、v；温度t；压力p需要4个方程:连续性方程（1）;动量方程（2）;能量方程（1）,1连续性方程,流体的连续流动遵循质量守恒规律。,从流场中(x,y)处取出边长为dx、dy的微元体，并设定x方向的流体流速为u，而y方向上的流体流速为v。M为质量流量kg/s,2020/5/3,22,2020/5/3,23,2020/5/3,24,单位时间内流入微元体的净质量=微元体内流体质量的变化。,单位时间内、沿x轴方向流入微元体的净质量：,2020/5/3,25,单位时间内、沿y轴方向流入微元体的净质量：,单位时间内微元体内流体质量的变化:,2020/5/3,26,单位时间：流入微元体的净质量=微元体内流体质量的变化,连续性方程：,对于二维、稳定、常物性流场：,2020/5/3,27,2动量微分方程,动量微分方程式描述流体速度场动量守恒,动量微分方程是纳维埃和斯托克斯分别于1827和1845年推导的。Navier-Stokes方程（N-S方程）,牛顿第二运动定律：作用在微元体上各外力的总和等于控制体中流体动量的变化率,控制体中流体动量的变化率,2020/5/3,28,从x方向进入元体质量流量在x方向上的动量：,从x方向流出元体的质量流量在x方向上的动量,从y方向进入元体的质量流量在x方向上的动量为：,从y方向流出元体的质量流量在x方向上的动量：,2020/5/3,29,x方向上的动量改变量：,化简过程中利用了连续性方程和忽略了高阶小量。,同理，导出y方向上的动量改变量：,作用于微元体上的外力,作用力：体积力、表面力,2020/5/3,30,体积力：重力、离心力、电磁力,设定单位体积流体的体积力为F，相应在x和y方向上的分量分别为Fx和Fy。,在x方向上作用于微元体的体积力：在y方向上作用于微元体的体积力：,表面力:作用于微元体表面上的力。通常用作用于单位表面积上的力来表示，称之为应力。包括粘性引起的切向应力和法向应力、压力等。法向应力中包括了压力p和法向粘性应力。,2020/5/3,31,在物理空间中面矢量和力矢量各自有三个相互独立的分量（方向），因而对应组合可构成应力张量的九个分量。于是应力张量可表示为,式中为应力张量，下标i表示作用面的方向，下标j则表示作用力的方向,通常将作用力和作用面方向一致的应力分量称为正应力，而不一致的称为切应力。,2020/5/3,32,对于我们讨论的二维流场应力只剩下四个分量，记为,x为x方向上的正应力（力与面方向一致）；y为y方向上的正应力（力与面方向一致）；xy为作用于x表面上的y方向上的切应力；yx为作用于y表面上的x方向上的切应力。,2020/5/3,33,作用在x方向上表面力的净值为:,作用在y方向上表面力的净值为,斯托克斯提出了归纳速度变形率与应力之间的关系的黏性定律,2020/5/3,34,得出作用在微元体上表面力的净值表达式：,x方向上,y方向上,动量微分方程式,在x方向上,y方向上,2020/5/3,35,对于稳态流动：,只有重力场时：,3能量微分方程,能量微分方程式描述流体温度场能量守恒,导入与导出的净热量+热对流传递的净热量+内热源发热量=总能量的增量+对外作膨胀功,2020/5/3,36,Q=E+W,UK=0、=0,假设：（1）流体的热物性均为常量,变形功=0,Q内热源=0,（2）流体不可压缩,（3）一般工程问题流速低,（4）无化学反应等内热源,2020/5/3,37,Q=E+W,2020/5/3,38,Q导热+Q对流+Q耗散=U热力学能+推动功=H,耗散热（）：由表面粘性应力产生的摩擦力而转变成的热量。,对于二维不可压缩常物性流体流场而言，微元体的能量平衡关系式为：,Q1为以传导方式进入元体的净的热流量；Q2为以对流方式进入元体的净的热流量；Q3为元体粘性耗散功率变成的热流量；H为元体的焓随时间的变化率。,2020/5/3,39,以传导方式进入元体的净热流量,单位时间沿x轴方向导入与导出微元体净热量：,单位时间沿y轴方向导入与导出微元体净热量：,2020/5/3,40,以对流方式进入元体的净热流量,单位时间沿x方向热对流传递到微元体净热量,单位时间沿y方向热对流传递到微元体的净热量：,2020/5/3,41,微元体粘性耗散功率变成的热流量,单位时间内、微元体内焓的增量：,2020/5/3,42,能量微分方程,2020/5/3,43,4层流流动对流换热微分方程组,（常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体）,4个方程，4个未知量，可求速度场和温度场,2020/5/3,44,再引入换热微分方程(n为壁面的法线方向坐标)，最后可以求出流体与固体壁面之间的对流换热系数，从而解决给定的对流换热问题。,5求解对流换热问题的途径,分析求解。实验研究。数值求解。,6对流换热单值性条件,2020/5/3,45,单值性条件：能单值反映对流换热过程特点的条件完整数学描述：对流换热微分方程组+单值性条件单值性条件包括：几何、物理、时间、边界,几何条件：说明对流换热过程中的几何形状和大小，平板、圆管；竖直圆管、水平圆管；长度、直径等物理条件：