传热学第4章对流换热(Convective Heat Transfer)

,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第一节：概述,工程应用背景,对流换热：,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),热对流,计算关系式,第一节：概述,请千万小心，步步都是富贵险中求。殊不知多少江湖英豪；名门侠女都曾栽在这块看似山青湖静，实则风阴涛涌的领域！摘自一网友的言论,对流换热：,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),热对流,计算关系式,换热方程,第一节：概述,注意：研究区域或对象,第一节：概述,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),数值计算,实验研究,理论分析,h,求h主要有以下基本途径：,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),影响对流换热的基本因素：,自然对流(NaturalConvection),强迫对流(ForcedConvection),b流动状态,层流(LaminarFlow),紊流(TurbulentFlow),c流体有无相变(PhaseChange),凝结换热(CondensationHeatTransfer),沸腾换热(BoilingHeatTransfer),流动因素,a流动起因,流动因素、几何因素和物性参数,第一节：概述,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),流动因素,h,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),几何因素：,换热面的几何形状、几何位置,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),物性参数：,与导热有关的物性参数有,与流动有关的物性参数有,综合以上分析，可得,本章主要用的基本假设及基本定律：,基本定律：质量守恒、能量守恒、牛顿力学定律和傅立叶定律,基本假设：连续介质；常物性,第二节：对流换热问题的数学描写对流换热微分方程组,二维、常物性、不可压、稳态,连续方程,动量方程,x,y,(x,y),dx,dy,在流场中取一个固定在空间一定位置上的控制体，各个界面上不断地有流体流进和流出，因而是热力学中的一个开口体系。,忽略动能及势能的变化，假设流动和换热是稳态的，流体也不做净功，有,能量方程的推导,x,y,(x,y),dx,dy,能量方程的推导,第二节：对流换热问题的数学描写对流换热微分方程组,二维、常物性、不可压、稳态,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第三节：边界层,一、速度边界层,速度边界层定义：壁面到99%U的区域,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第三节：边界层,1、速度边界层,影响边界层厚度的因素：,流体的种类,离开平板前沿的距离,流体流动速度,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第三节：边界层,度边界层的作用：,将流场分为边界层内和边界层外两个区域,在边界层内速度变化比较剧烈，会产生较大的粘性切应力,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第三节：边界层,速度边界层的发展,对于外掠平板当雷诺数层流转变为紊流。,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第三节：边界层,速度边界层的发展,对于管内流动当雷诺数层流转变为紊流。,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第三节：边界层,2、温度边界层,温度边界层t定义：壁面到(t-tw)=99%(t-tw)的区域,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第三节：边界层,2、温度边界层,温度边界层t定义：壁面到(t-tw)=99%(t-tw)的区域,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第三节：边界层,2、温度边界层,边界层的传热特性：在层流边界层内垂直于壁面方向上的热量传递主要依靠导热。湍流边界层的主要热阻为层流底层的导热热阻。,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第三节：边界层,2、温度边界层,温度边界层的作用：,在边界层内温度变化比较剧烈，热量交换比较强烈。,在边界层外温度变化率为零，该区称为主流区，可按等温流处理。,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第三节：边界层,边界层要点：,当粘性流体流过固体表面时，可以将流动划为边界层区和主流区。,边界层的厚度与壁面尺度相比是一个非常小量。,在边界层内流动状态分为层流和紊流，而紊流边界层内紧靠壁面处仍有极薄的一层保持层流流动，称为层流底层。,当流动发生脱体时，边界层的概念不再适用。,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第三节：边界层,3、速度边界层与温度边界层的关系,速度边界层从平板的前沿开始，而温度边界层则不一定；,和一般情况下不等：,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第三节：边界层,3、速度边界层与温度边界层的关系,表示了粘性扩散与热扩散能力的相对大小,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第四节：边界层对流换热微分方程组,在边界层内，各物理量的变化范围：,温度t：,坐标x：0L,主流速度u：0,坐标y：0（）,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第四节：边界层对流换热微分方程组,由量级分析可以对微分方程组进行简化。,常物性、不可压、稳态二维平板的边界层微分方方组为：,推论：,边界层内任意一点的y方向速度远小于x方向的速度。,y方向上的动量方程与x向比较可以忽略。,边界层内沿表面法向无压力梯度，即。边界层内的压力就等于边界层外的主流压力。,在温度边界层中，沿x方向的导热可以忽略。,第四节：边界层对流换热微分方程组,由量级分析可以对微分方程组进行简化。,常物性、不可压、稳态二维平板的边界层微分方方组为：,对于外掠平板，1908年Blasius给出了速度分布的解，1921年Pohlhausen给出了换热系数的解：,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第五节：对流换热微分方程组的无因次化,理论分析面临的困难：目前的数学还不能求解任意对流换热问题。,我们将进行实验研究,实验研究中需要解决哪些理论问题？,为确定上述关系，设每个变量进行6次实验，,共需6646656次实验，,每次实验1小时，共需46656个小时，,每天工作10小时，共13年！,还有其他设备尺寸等等一系列问题,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第五节：对流换热微分方程组的无因次化,贝克力Peclet数,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第六节：相似理论简介,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第六节：相似理论简介,同类物理现象具有相同的物理内容，并能用同一微分方程描述的物理现象。如果两个物理现象的微分方程的形式一样，但物理内容不同，就不是同类物理现象。,说明：,2、物理现象相似,定义：在几何相似的条件下，如果两个同类物理现象a和b相似，那么现象a中量纲相同的物理量之间的比值，与现象b中对应点的同名物理量之间的比值相等，则称两个物理现象相似。,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第六节：相似理论简介,说明：,2、物理现象相似,时间对应点是指从起始时刻起，具有的瞬时，不是从起始时刻起具有相同时间的点。,定义：在几何相似的条件下，如果两个同类物理现象a和b相似，那么现象a中量纲相同的物理量之间的比值，与现象b中对应点的同名物理量之间的比值相等，则称两个物理现象相似。,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第六节：相似理论简介,说明：,2、物理现象相似,空间对应点是指具有点。显然只有几何相似的体系才具有空间对应点，它是物理想象相似的前提,定义：在几何相似的条件下，如果两个同类物理现象a和b相似，那么现象a中量纲相同的物理量之间的比值，与现象b中对应点的同名物理量之间的比值相等，则称两个物理现象相似。,第六节：相似理论简介,说明：,2、物理现象相似,ua,ub,ua,max,ub,max,ta,tb,定义：在几何相似的条件下，如果两个同类物理现象a和b相似，那么现象a中量纲相同的物理量之间的比值，与现象b中对应点的同名物理量之间的比值相等，则称两个物理现象相似。,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第六节：相似理论简介,准则数即无量纲数，如_,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第六节：相似理论简介,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第七节：相似准则实验关系式的确定,对于管内流动h的定义为,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第七节：相似准则实验关系式的确定,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第八节：强迫对流换热中常用的经验关系式,（或截面平均温度）,注意：经验关系式不能任意推广到该公式的实验(应用)范围以外。,环型管,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第八节：强迫对流换热中常用的经验关系式,包含了入口段的影响,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第八节：强迫对流换热中常用的经验关系式,（旺盛紊流）,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第八节：强迫对流换热中常用的经验关系式,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第八节：强迫对流换热中常用的经验关系式,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第八节：强迫对流换热中常用的经验关系式,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第八节：强迫对流换热中常用的经验关系式,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第八节：强迫对流换热中常用的经验关系式,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第八节：强迫对流换热中常用的经验关系式,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第八节：强迫对流换热中常用的经验关系式,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第八节：强迫对流换热中常用的经验关系式,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第八节：强迫对流换热中常用的经验关系式,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第八节：强迫对流换热中常用的经验关系式,二、管外强迫流动换热关系式,1、外掠单管,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第八节：强迫对流换热中常用的经验关系式,二、管外强迫流动换热关系式,1、外掠单管,换热特性,第八节：强迫对流换热中常用的经验关系式,二、管外强迫流动换热关系式,2、外掠管束,从换热角度讲，叉排要好于顺排。,第八节：强迫对流换热中常用的经验关系式,二、管外强迫流动换热关系式,2、外掠平板,定性温度为膜温度,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第八节：强迫对流换热中常用的经验关系式,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第八节：强迫对流换热中常用的经验关系式,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第八节：强迫对流换热中常用的经验关系式,分析：要确定管子的长度，想一想，哪个公式中包含与管长有关的变量。显然是牛顿冷却公式。另一方面从热平衡角度看：流量和进出口温度已经确定，单位时间空气的吸热量也可以计算，在没有热损失的情况下，它应等于对流换热热流。即：,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),第八节：强迫对流换热中常用的经验关系式,解：,换热热流：,第四章对流换热(ConvectiveHeatTransfer),习题课,习题课,3、温度20C的空气横向吹过热线风速仪的白金丝，白金丝长10mm，直径0.1mm，电阻率为：丝内通以1.22A的电流，测得白金丝两端的电压为0.2623V。求空气的流速。,4、高温高压流体导热系数的测量,或,第九节自然对流换热,一、概述,流动发生的原因：换热时由于流体的温度发生了变化，流体的密度也随之变化，使流体中质量力(彻体力)分布不均匀，产生了浮升力，导致流体流动。,例子：,1,2,质量力：在重力场中用来考虑在离心力场中用来考虑,自然对流换热固体壁面附近的流体在浮升力作用下而产生的流动与换热。,一、概述,应用,(1)、室内暖气的散热；,(2)、电子设备的冷却；,(3)、发动机的涡轮盘腔及叶片内冷通道中的流动与换热；,(4)、烟囱、锅炉的水循环,第九节自然对流换热,一、概述,应用,Benard流动。,参考文献：1、【英】彼得柯文尼著，时间之箭揭开时间最大奥秘之科学里程，湖南科学技术出版社，19952、关键词：Benard流动BenardFlow,第九节自然对流换热,一、概述,应用,第九节自然对流换热,二、流动与换热特征,t,tw,以大空间内竖直平板为例，平板的温度为tw，远离壁面的流体温度为t。假设twt,观察实验,第九节自然对流换热,二、流动与换热特征,h,x,三、自然对流换热发生的条件,有温差；,有力场；,足够的空间；,热面的位置。,tw,y,x,t,以大空间内竖直平板为例，平板的温度为tw，远离壁面的流体温度为t。假设twt,第九节自然对流换热,四、这是为什么？,第九节自然对流换热,五、自然对流换热微分方程组,对流换热边界层微分方程组,tw,t,y,g,x,第九节自然对流换热,五、自然对流换热微分方程组,对流换热边界层微分方程组,1、描述流体流动与换热的微分方程组是唯一的，对不同的问题它的表现形式可能不一样。,2、av的计算及量纲。,第九节自然对流换热,六、对流换热微分方程组的无因次化,温度选取过余温度=(tw-t),长度选取板长L,速度选取/L,特征物理量的选取：,第九节自然对流换热,六、对流换热微分方程组的无因次化,温度选取过余温度=(tw-t),长度选取板长L,速度选取/L,特征物理量的选取：,第九节自然对流换热,七、几点注意,由于自然对流中没有参考速度，所以换热公式中就没有强迫对流中的Re，这里Gr相当于Re。,经验公式中的定性温度为膜温度。,定性尺度：不同的情况有不同的尺度。,流态由Ra数判断：为紊流，否则为层流。,对于有限空间的自然对流，流体的上升与下沉将受到空间的限制，换热计算时不能使用大空间对流换热经验关系式，请查相应的资料。,第九节自然对流换热,七、几点注意,自然对流湍流换热的自模化问题。,对恒热流的自然对流，tw不知道，可将Grashof数改写成：,在强迫对流换热中，当时需要考虑自然对流的影响。,第九节自然对流换热,例题：一个计算机芯片，其尺寸为3cm3cm，发热量为1W，试确定其表面温度。设机箱内的空气温度为30，芯片垂直于地面放置，芯片附近无空气的强迫流动。,分析：,第九节自然对流换热,复习：质量力或彻体力是指作用在流体每一质点上的力，它的大小与流体的质量（或体积）成正比，它一般有两种，其一为重力；其二为惯性力，它是由流体作直线加速运动或曲线运动所引起的。通常质量力用单位质量流体所承受的力来衡量质量力的大小。单位质量力等于质量力所引起的加速度。,第九节自然对流换热,五、这是为什么？,第九节自然对流换热,第九节自然对流换热,第九节自然对流换热,第九节自然对流换热,一、概述,低速气流换热特点,由于速度不是很高，滞止后的温度不是很高，同时粘性耗散的影响很小，物性参数按常物性处理不会有较大的误差，理论上，动量方程和能量方程可以单独求解(自然对流换热除外)。,高速气流换热特点,1、流体被压缩，压力和的变化将引起其它物性参数的变化。,滞止,温度,2、边界层内粘性耗散引起温度的升高及由此引起的物性参数变化。,第十节高速气流换热(Pr1),二、高速气流的绝热边