14级第4章 对流传热理论基础与工程.ppt

1,传热学补课安排,补课时间：2016年6月16日（周四），5、6节补课地点：西环202,2,传热学考试安排,考试时间：2016年6月26日（周日），14:30-16:30考试地点：石工14级13班：南教301题目类型（估计）：简答分析题：40；计算题：60注意：带学生证、计算器等答疑：周5、6白天及周日上午，工科楼D219,3,第4章对流传热的理论基础与工程计算,4.1概述4.2对流传热问题的数学描述4.3对流传热边界层简介4.4对流传热实验研究的理论基础4.5管槽内强迫对流传热的实验关联式4.6外部强迫对流传热的实验关联式（不要求）4.7自然对流传热4.8凝结与沸腾传热（不要求）,4,4.1概述,4.1.1牛顿冷却定律4.1.2对流传热过程的影响因素4.1.3对流传热的分类,返回,5,对流传热:,对流传热量的计算（牛顿冷却公式）：,对面积为A的接触面：,式中:tm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也总是取正值.h为换热面积A上的平均表面传热系数，对应有表面上某一位置处的局部表面传热系数hx,4.1.1牛顿冷却定律,流体流过固体壁面时，流体与固体间所发生热量交换的现象,对单位面积接触面：,研究对流传热问题的关键和难点是确定公式中的表面传热系数h.,6,对流传热的机理,对流传热是由流体宏观流动所产生的热量转移（热对流）以及流体中分子的微观热运动所产生的热量转移（热传导）联合作用的结果。即：对流传热=热对流+热传导注意“对流传热”和“热对流”概念的区别及联系。,对流传热过程的规律要比单纯的热传导过程的规律复杂。,返回,7,4.1.2对流传热过程的影响因素,解决对流传热问题的关键是确定表面传热系数h。影响对流传热过程表面传热系数的因素主要包括四个方面：（1）流体流动因素，（强制还是自然，层流还是湍流）（2）流体的物理性质（密度、比热容、导热系数、粘度，对于自然对流还有体积膨胀系数）（3）换热面的几何因素（表面形状、大小、与流体运动方向的相对位置及换热表面的表面状态）（4）流体有无相变及流体介质的构成（多相流）等,返回,8,4.1.3对流传热的分类,由前面分析可知，影响对流传热过程表面传热系数的因素很多，并且规律很复杂，因此不可能找到一个统一的表面传热系数的计算公式（理论或经验）能把各种复杂因素都考虑进去。在对流传热研究的发展过程中，人们首先把对各种对流传热问题按主要影响因素分门别类，然后再对各种具体类别的对流传热问题进行针对性研究，得出其表面传热系数的计算公式。目前常用的对流传热分类方法如下图所示。,9,对流传热的分类树,无相变,有相变,强制对流,自然对流,混合对流,内部流动,外部流动,圆管内强制对流传热,其它形状截面管道内强制对流传热,外掠平板对流传热,外掠单根圆管对流传热,外掠圆管管束对流传热,外掠其它形状柱体对流传热,射流冲击对流传热,大空间自然对流传热,有限空间自然对流传热,沸腾传热,凝结传热,大容器沸腾,管内沸腾,管外凝结,管内凝结,10,主要分类依据：有无相变（有相变的话，凝结还是沸腾）；流动起因，强制还是自然对流；换热表面几何因素，内部还是外部（外部的话，横掠还是纵掠）。对于每种类型，处于层流还是湍流流态时，对流传热规律也不同。注意：流体种类不是分类的依据（流体种类影响在Pr数中考虑）；本书不涉及非稳态对流传热问题。,11,表中的各种典型对流传热情况的表面传热系数的量级应当记住！,返回,12,4.2对流传热问题的数学描述,4.2.1对流传热微分方程式,返回,13,4.2.1对流传热微分方程式,分析法和数值法得到的直接结果是流体的温度分布，但我们一般需要的是表面传热系数。两者之间有何关系？当粘性流体流过壁面时，在贴近壁面处存在一个静止的极薄的流体层（流体力学中的无滑移边界条件）。如图所示。,壁面与流体的热量传递必须要穿过该静止薄层。很显然，热量穿过该薄层的传递方式只有导热一种方式（忽略辐射），而不可能有热对流。,14,由于两式相等，故有：,整理得：,对流传热过程中，壁面与流体的对流传热量应当等于贴壁处流体薄层的导热量。不妨假定twtf，则：,对流传热量：,通过静止薄层导热量：,上式建立了流体温度场和表面传热系数之间的关系，也称为“对流传热微分方程式”，需要记住。（公式对流体被加热或被冷却均成立）注意：它和书中式4-25的“对流传热微分方程组”（用来描述流体压力、速度和温度分布的方程组）是不同的概念。,15,对流传热微分方程式和导热问题的第三类边界条件形式上有些类似，它们之间的区别是什么？两点：h是已知还是未知，导热系数是流体的还是固体的,16,局部表面传热系数和平均表面传热系数,求解对流传热微分方程组可以得到流体的温度场t=t(x,y)。根据前面的对流传热微分方程式有：,因换热表面不同位置的表面传热系数不同,故将hx称为在x处的局部表面传热系数。,17,对于整个的换热表面，如果壁温和流体主流温度之差保持不变，可以根据局部表面传热系数得出平均表面传热系数（如何得出？）：,以后除非特殊声明,我们所说的对流传热过程的表面传热系数皆指对整个传热表面的平均表面传热系数,以h表示.,返回,18,4.3边界层及边界层对流传热微分方程组,理论上，对建立的对流传热问题数学描述直接进行求解可以得到我们所需要的结果。实际上，由于N-S方程的复杂性和非线性，对实际流动问题采用解析的方法直接进行求解非常困难。1904年，Prandtl提出了著名的边界层概念。边界层理论的意义有两个：（1）利用它可以简化N-S方程，从而对一些简单对流传热问题得出分析解；（2）用来帮助定性分析对流传热过程的机理。目前，随着高性能计算机及数值求解技术的发展，利用边界层理论来求解对流传热问题的实际工程应用价值已经不大。但边界层理论及据此得出的解析解的结果对于我们理解流动和对流传热的机理以及定性地分析有关因素对流动和对流传热的影响仍然具有很重要的意义。,19,4.3边界层及其对流传热微分方程组,4.3.1流动边界层4.3.2热边界层4.3.3特征数及特征数方程4.3.4边界层型对流传热问题数学描述（不讲）,返回,20,4.3.1流动边界层,1、流动边界层及其厚度的定义流动边界层：靠近固体壁面处流体速度发生显著变化的薄层。边界层厚度:达到主流速度99%处至固体壁面的垂直距离，用表示。对大多数流体，边界层厚度是一个相对于平板长度小一个数量级以上的小量。,21,边界层把整个流动区域分成了两部分-主流区和边界层区。边界层内的流体在垂直主流方向速度变化十分剧烈，边界层外流体近似保持主流速度不变。,边界层的意义：（1）缩小了计算区域。对边界层外的主流区内流体可视为理想流体，因此只需把重点放在边界层内流体流动的求解即可。（2）边界层内流体的流动微分方程组根据边界层内流体流动的特点可以进行实质性简化。,22,2.流动边界层内流体的流态边界层内流体的流动状态有层流和湍流之分.（1）先层流，后发展为湍流。对外掠平板流动，一般可取Rec=5105（2）在湍流区,边界层包括湍流核心、缓冲层和紧贴壁面的极薄的层流底层（粘性底层）。（3）在湍流边界层中，流体速度变化主要集中在极薄的层流底层中。,返回,23,1、热边界层及其厚度定义热边界层定义:在壁面附近温度发生显著变化的薄层.热边界层厚度:流体过余温度=t-tw等于0.99(t-tw)处至壁面的距离，用t表示。热边界层的特点:对大多数流体，热边界层厚度也是一个相对于平板长度小一个数量级以上的小量。,4.3.2热边界层(温度边界层),24,热边界层也把整个流体的温度场区域分成了两部分-主流区和热边界层区。边界层内的流体在垂直主流方向温度变化十分剧烈，边界层外流体近似保持来流温度不变。热边界层的意义：（1）缩小了计算区域。边界层外的主流区内流体温度可视为近似不变，因此只需把重点放在边界层内流体能量守恒方程的求解即可。（2）边界层内流体的能量守恒方程也可根据边界层内流体温度变化的特点进行实质性简化。,25,2、局部表面传热系数沿流动方向变化规律,层流区传热机理主要靠导热，故x，(x)，hx。过渡流区由于扰动增强，hx湍流区热阻主要集中在极薄的粘性底层中，因此湍流部分的热阻很小，表面传热系数较大。传热机理主要靠流体涡旋产生的热对流。由上述分析可见,边界层厚度与对流传热强度之间有相反的关系。减薄边界层厚度，可以强化对流传热过程，是强化对流传热的主要途径之一。,返回,26,一、流体外掠等温平板传热的层流分析解流体外掠平板层流边界层型对流传热问题的微分方程组可以利用分析解法求解，得到截面上的速度及温度分布，进而得到下列结果（1908,Blasius；1921,Pohlhausen)：,局部表面传热系数：,4.3.3特征数及特征数方程,27,二、特征数方程,前述局部表面传热系数结果还可以整理成特征数方程（准则方程或关联式）形式。,努赛尔数,雷诺数,普朗特数,28,根据层流局部表面传热系数的公式，也可以得到整个传热表面上的平均对流传热系数的特征方程,29,1、普朗特数的物理意义是流体的运动粘度，反映了流体中由于分子运动而扩散动量的能力。这一能力越大，壁面速度对流体内部速度的影响就传递得越远，因而流动边界层越厚。a是流体的热扩散率，反映了流体中由于分子运动而扩散热量的能力。这一能力越大，壁面温度对流体内部温度的影响就传递的越远，因而热边界层就越厚。因此，Pr=/a能反映流动边界层和热边界层厚度的相对大小。Pr=1，则两者相等；Pr1，流动边界层厚于热边界层；Prtw时：,Tftf)时:,冷却流体(twtf)时:,光滑、长的直管且中等温差,适用条件：恒壁温或恒热流,三大特征量：d或de、um、tf,实验验证范围：,71,中等温差的含义：,对于气体不超过50对于水不超过2030对于油类不超过10,长管的含义：,对于短管、弯管以及大温差情况要对按照原式得出的结果进行相应修正,72,（1）短管修正入口段的传热系数较高，引入修正系数cl。对于通常的工业设备中的尖角入口圆管，有以下入口效应修正系数,73,（2）弯管修正弯管强化了换热效果,弯管修正系数CR：,对于气体,对于液体,74,截面上温度的不均匀导致速度分布发生畸变,（3）温差修正,75,液体受热时:m=0.11液体被冷却时:m=0.25,气体被加热时,气体被冷却时,对液体,引入修正系数ct来考虑不均匀物性场对换热的影响,此时，n无论加热还是冷却均取0.4,76,2、齐德泰特（SiederTate）公式,实验验证范围为:,特点：Pr数应用范围较宽，稠油等高粘度流体等可用,77,3、格尼林斯基（Gnielinski）公式,实验验证范围为：,特点：精度较高、包含过渡区且能用于粗糙管情形,返回,对气体：,对液体：,78,4.5.4过渡区强迫对流传热的计算,过渡区：由于流动的不稳定性，与层流和湍流相比，很难找到既简便又精确的计算公式在工程设计上从系统可靠性而言，如果有可能也往往避开过渡区过渡区的对流传热计算，可以考虑Hausen推荐的公式,公式适用范围：恒壁温，2200Ref6000,返回,79,4.5.5管内强迫对流传热的强化,湍流情形，对Dittus-Boelter公式中n取0.4，将公式展开成原始物理量形式：,由上式可知：流速和密度对h影响最大，且为正影响；物性中热导率、密度、比热容均为正影响，粘度为负影响；管径为负影响，管长对h无影响。,80,1、提高流速，但阻力增加更快(湍流时1.75次方)2、采用性能更好的流体（密度、比热、导热系数较大且粘性较小流体）3、采用小管径管4、利用短管5、采用弯管或螺旋管6、采用粗糙管，破坏层流底层,强化管内强迫对流传热的手段,返回,81,管内强迫对流传热计算注意事项及例题讲解,管内强迫对流传热的计算是每年必考的计算大题1、典型问题计算将流体加热到某一温度所需对流传热面积或管长；计算给定对流传热条件下被加热流体的出口温度；计算在给定管内流体被加热到某一温度所需传热温差。各问题的核心均为利用特征数实验关联式计算表面传热系数。另外，一般都需要用到能量守恒定律。,82,（1）判断对流传热类型，确定三大特征量（2）根据特征温度查取有关物性（3）计算雷诺数、判断流态，根据流态选择实验关联式（4）根据所选实验关联式，进行表面传热系数的计算（5）其他量的计算：出口温度、加热长度、壁温等（6）必要的校核：长管校核、中等温差校核、流态的校核等,2、计算步骤,83,tf”未知，无法确定特征温度及是否需要温差修正。可先设流体出口温度，并假设不需要温差修正。得出结果后，再进行校核或试算。可能试算多次l未知，此时不知是否需要短管修正，可先设为长管进行计算，得出管长后，再进行校核。确为长管，计算结束；如为短管，一般试算一次即可。tw未知，此时不知是否需要温差修正，可先设不需修正进行计算，得出tw后，再进行校核。校核满足，计算结束；如需修正，一般试算一次即可。u未知，Re未知，无法确定流态。可先假设流态进行计算，得出流速后，再进行校核或试算。一般要试算多次。d未知，Re和是否短管修正未知。先设直径及流态，不考虑温差修正。计算得到直径后在进行校核或试算。一般要试算多次。,3、需要试算的问题类型,84,例题讲解,例题4-3,4-4,4-5是非常重要的三种管内对流传热题型，一定要熟练掌握。p108讲解例4-3，其它自己看【例4-3】一直管内径为20mm，长为5m,水在管内的流速为2m/s，水流过此壁温均匀的直管时，从25被加热到35，试求此时的表面传热系数。,85,计算步骤（1）判断对流传热类型，确定三大特征量（2）根据特征温度查取有关物性（3）计算雷诺数、判断流态，根据流态选择实验关联式（4）根据所选实验关联式，进行表面传热系数的计算（5）其他量的计算：计算换热量、加热长度、流量等（6）必要的校核：长管校核、中等温差校核、流态的校核等,返回,86,4.7自然对流传热,4.7.1自然对流时的边界层4.7.2自然对流传热的特征数关联式4.7.3大空间自然对流传热的实验关联式4.7.4混合对流传热（不做要求）自然对流传热计算注意事项及例题讲解,返回,87,4.7.1自然对流时的边界层,一、概述二、自然对流传热浮升力公式三、自然对流时的边界层1、自然对流时边界层的形成2、自然对流边界层的特点3、自然对流边界层的流态4、局部表面传热系数变化规律5、自然对流分类,返回,88,一、概述,定义：没有外力的推动，由流体自身温度场的不均匀所引起的流动和换热现象，称为自然对流传热重力场中自然对流传热起因：温度差密度差浮升力特点：自然对流传热不消耗动力，在工业和日常生活中发挥着重要作用。如室内暖气片与周围空气间的换热、冰箱后面散热片的散热、不安装风扇等的电器设备元器件的散热自然对流传热的研究目标：确定表面传热系数,返回,89,二、自然对流传热浮升力公式,浮升力是流体因密度差在重力场中作用下而产生的。重力场中，单位体积流体的浮升力F为：,式中，,为不受壁面温度影响的流体密度,为受壁面温度影响的流体密度,90,流体的体积膨胀系数定义为,该系数反映了流体的密度随温度的相对变化量,对理想气体,对一般流体（水、油等）需要查该流体物性表得到,91,将上式代入浮升力计算公式，得到：,V越大，或温差越大，浮升力也越大，自然对流越强,建立流体密度变化与温度变化的关系：,返回,思考：有温差一定有浮升力吗？,92,三、自然对流时的边界层,1、自然对流时边界层的形成自然对流边界层的形成机理和受迫对流是类似的，只是流动的起因有所差别。思考：冷竖壁热流体之间的自然对流，边界层形状如何?,返回,93,2自然对流边界层的特点速度边界层从属于温度边界层速度的产生是由温度差异引起的自然对流传热中的温度边界层将决定速度分布速度存在最大值壁面处无滑移边界条件仍然成立，速度为零热边界层以外，流体温度不变，无浮升力，速度为零,返回,94,依据浮升力和粘性力相对大小，自然对流边界层也有层流、湍流之分在热壁面最下端，流体受加热程度小，浮升力较弱，粘性力起主要作用，速度边界层内的流动为层流当流体上升到一定距离后，流体受加热的时间逐渐加长，温度的影响范围扩大，浮升力的影响超过粘性力，流体的流动将处于湍流状态,3、自然对流边界层的流态,返回,95,4、局部表面传热系数变化规律平板下端，边界层较薄，边界层内温度梯度大，表面传热系数较大随流体沿板长流动，边界层逐渐增厚，温度梯度减小，表面传热系数逐渐减小在过渡区，流体的扰动和混合作用加强，表面传热系数增加在旺盛湍流区，边界层厚度不变，表面传热系数基本稳定在一个较高数值上不变,返回,96,5、自然对流分类根据流动空间是否影响边界层的形成和发展，将自然对流分为大空间自然对流和有限空间自然对流。需要注意的是，大空间和有限空间是相对而言的，不能仅从几何空间上判断。有些空间虽然有限，但是它并不干扰边界层的形成和发展，此时仍可称为大空间,返回,97,1、数学描述（了解）自然对流传热数学描述与流体外掠平板强迫对流内容相同，但在动量微分方程表达式上略有差异（1）对流传热微分方程式（2）能量微分方程式（3）动量微分方程式（4）连续性方程,4.7.2自然对流传热的特征数关联式,98,自然对流传热的数学描述,根据具体问题的特点补充以定解条件，可得到自然对流传热问题的数学描述动量方程和能量方程有很强的耦合关系，需联立求解,99,利用相似分析法或量纲分析法可以得到如下的描述自然对流传热的准则方程式,Gr称为格拉晓夫数，定义为,自然对流传热中影响h的因素为：,2、特征数方程式的导出,100,Gr是表征浮升力与粘性力相对大小的量度，反映自然对流的强弱。Gr越大，浮升力的相对作用越大，自然对流越强Gr数在自然对流中的地位和作用类似于Re数在受迫对流中的情况，可作为自然对流流态的判据,过去，绝大多数文献推荐用瑞利数作为流态的判据,但近年来的研究表明，采用Gr数作为流态转变的判据可以克服原来Ra数的不足,返回,101,4.7.3大空间自然对流传热的实验关联式,一、恒壁温下自然对流的实验关联式（McAdams公式）恒壁温时，自然对流传热的特征数关联式可以写成下面的幂函数形式,典型自然对流传热情况的常数C和n数值可查表4-5取得,102,103,表4-5中的给出的几种典型自然对流传热情况,104,公式应用说明:,（0）公式适用于恒壁温条件（1）特征温度的确定特征温度取边界层平均温度Gr数中t=tw-t，tw为壁温，t为远离壁面的流体温度（2）特征尺寸的确定典型自然对流传热情况下的特征尺寸选取见表4-5,105,（4）圆管曲度的影响,竖圆柱（管）和周围流体发生自然对流传热时，圆管的曲度对边界层的形成和发展是有影响，对换热也有影响如竖圆柱直径较大，则换热和竖平壁一样；否则，曲度会使换热加强，必须修正是否修正的判据:,满足上式，可以按垂直壁面处理；否则，进行修正,（3）适用工质：公式对气体工质完全适用。对液体工质，需要在公式右边乘上反映物性变化的修正因子,106,考虑曲度修正的计算方法：首先将竖圆柱（高H、直径为D）按竖平壁计算（高H、宽D），然后查图确定修正系数Ccy，即,修正系数图Ccy查图4-22取得,107,（5）湍流自然对流的自模化现象,湍流自然对流,自模化：湍流自然对流的表面传热系数与特征尺寸无关原因：旺盛湍流时边界层厚度维持不变对指导实验有意义：实验模型可以小一些，可以降低实验费用,108,但层流时，h与lc-1/4成正比。用此关系可以分析为何热管道壁面横放与竖放的散热效果不同,109,补充：自然对流传热关联式的一些分析,（1）竖壁自然对流中lc对h的影响,湍流自然对流的表面传热系数与特征尺寸无关。原因：旺盛湍流时边界层厚度维持不变,层流自然对流的表面传热系数h与lc-1/4成正比。原因：此时边界层厚度随lc的增加而增加。,110,（2）传热面放置方式对自然对流h的影响（横放与竖放）对于圆柱表面，在横放和竖放时的特征长度的取法不同。在湍流时，由于h与lc无关，因此对同一种流体，圆柱横放和竖放的h相同，此时几何位置对自然对流传热基本没有影响。但在层流时，由于h与lc-1/4成正比，而圆柱横放比竖放的特征尺寸一般要小的多，因此尽管横放时的C要比竖放时小一些（0.480.59），但一般总的影响是对同一种流体横放时的h要比竖放时的h要大。一般来说，圆柱