热工基础第十章.ppt

1,第十章对流换热,2,10-1对流换热概述,1对流换热的定义和性质,对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象。,对流换热实例：暖气管道,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,3,(1)导热与热对流同时存在的复杂热传递过程(2)必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差(3)由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层,2对流换热的特点,4,3.牛顿冷却公式,=Ah(twtf),q=h(twtf),h整个固体表面的平均表面传热系数;,tw固体表面的平均温度;,tf流体温度，对于外部绕流，tf取远离壁面的流体主流温度；对于内部流动，tf取流体的平均温度。,5,对等壁温，,对照式=Ah(twtf)可得固体表面温度均匀条件下的平均表面传热系数h与局部表面传热系数hx之间的关系。,如何确定表面传热系数的大小是对流换热计算的核心问题，也是本章讨论的主要内容。,对于局部对流换热，,6,4对流换热的影响因素,对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同作用的结果。其影响因素主要有以下五个方面：(1)流动起因;(2)流动状态;(3)流体有无相变;(4)换热表面的几何因素;(5)流体的热物理性质,(1)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（室内暖气片周围空气流动）,强迫对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动,7,(2)流动状态,(3)流体有无相变,层流：整个流场呈一簇互相平行的流线,湍流：流体质点做复杂无规则的运动,单相换热：,相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等。吸收或放出气化潜热，对流换热强度和规律与单相流体不同,8,(4)流体的物理性质,1）热导率，W/(mK)，愈大，流体导热热阻愈小，对流换热愈强烈；,2）密度，kg/m3,3）比热容c，J/(kgK)。c反映单位体积流体热容量的大小，其数值愈大，通过对流所转移的热量愈多，对流换热愈强烈；,4）动力粘度，Pas；运动粘度/，m2/s。流体的粘度影响速度分布与流态，因此影响对流换热；,9,5）体胀系数V，K1。,对于理想气体，pv=RT，代入上式，可得V=1/T。,定性温度,体胀系数影响重力场中的流体因密度差而产生的浮升力的大小，因此影响自然对流换热。,对于同一种不可压缩牛顿流体，其物性参数的数值主要随温度而变化。用来确定物性参数数值的温度。称为定性温度。在分析计算对流换热时，定性温度的取法取决于对流换热的类型。,V,10,(5)换热表面的几何因素,换热表面的几何形状、尺寸、相对位置以及表面粗糙度等几何因素将影响流体的流动状态，因此影响流体的速度分布和温度分布，对对流换热产生影响。,影响对流换热的因素很多，表面传热系数是很多变量的函数，,11,对流换热分类小结,12,3.对流换热的主要研究方法,分析法,数值法,试验法,比拟法,理论分析、数值计算和实验研究相结合是目前被广泛采用的解决复杂对流换热问题的主要研究方式。,13,10-2对流换热的数学描述,1.对流换热微分方程组及其单值性条件,（1）对流换热微分方程,假设：,(a)流体为连续性介质。当流体的分子平均自由行程与换热壁面的特征长度l相比非常小，一般克努森数时，流体可近似为连续性介质。,14,(b)流体的物性参数为常数，不随温度变化。,(c)流体为不可压缩性流体。通常流速低于四分之一声速的流体可以近似为不可压缩性流体。,(d)流体为牛顿流体，即切向应力与应变之间的关系为线性，遵循牛顿公式：,(e)流体无内热源，忽略粘性耗散产生的耗散热。,(f)二维对流换热。,紧靠壁面处流体静止，热量传递只能靠导热，,15,按照牛顿冷却公式,如果热流密度、表面传热系数、温度梯度及温差都取整个壁面的平均值，则有,上面两式建立了对流换热表面传热系数与温度场之间的关系。而流体的温度场又和速度场密切相关，所以对流换热的数学模型应该是包括描写速度场和温度场的微分方程。,16,1）连续性微分方程（质量守恒）,2）动量微分方程（动量守恒）,x方向:,y方向:,惯性力,粘性力,纳维埃(N.Navier)-斯托克斯(G.G.Stokes)方程,17,3）能量微分方程（能量守恒）,单位时间由导热进入微元体的净热量和由对流进入微元体的净热量之和等于微元体热力学能的增加，,常物性、无内热源、不可压缩牛顿流体对流换热的能量微分方程式。,若u=v=0,导热微分方程式,导热微分方程式实质上就是内部无宏观运动物体的能量微分方程式。,18,常物性、无内热源、不可压缩牛顿流体二维对流换热微分方程组：,4个微分方程含有4个未知量(u、v、p、t)，方程组封闭。原则上，方程组对于满足上述假定条件的对流换热（强迫、自然、层流、湍流换热）都适用。,19,5对流换热过程的单值性条件,单值性条件：能单值地反映对流换热过程特点的条件,单值性条件包括四项：几何、物理、时间、边界,完整数学描述：对流换热微分方程组+单值性条件,(1)几何条件,平板、圆管；竖直圆管、水平圆管；长度、直径等,说明对流换热过程中的几何形状和大小,(2)物理条件,如：物性参数、c和的数值，是否随温度和压力变化；有无内热源、大小和分布,说明对流换热过程的物理特征,(3)时间条件,稳态对流换热过程不需要时间条件与时间无关,说明在时间上对流换热过程的特点,20,第二类边界条件给出边界上的热流密度分布规律：,如果qw=常数，则称为等热流边界条件。,紧贴壁面的流体静止，热量传递依靠导热，根据傅里叶定律,给出了边界面法线方向流体的温度变化率,(4)边界条件,第一类边界条件给出边界上的温度分布规律：,如果tw=常数，则称为等壁温边界条件。,21,对流换热微分方程组和单值性条件构成了对一个具体对流换热过程的完整的数学描述。但由于这些微分方程非常复杂，尤其是动量微分方程的高度非线性，使方程组的分析求解非常困难。,1904年，德国科学家普朗特(L.Prandtl)在大量实验观察的基础上提出了著名的边界层概念，使微分方程组得以简化，使其分析求解成为可能。,22,2、边界层概念及边界层换热微分方程组,边界层概念：当粘性流体流过物体表面时，会形成速度梯度很大的流动边界层；当壁面与流体间有温差时，也会产生温度梯度很大的温度边界层（或称热边界层）,1流动边界层（Velocityboundarylayer）,1904年，德国科学家普朗特L.Prandtl,由于粘性作用，流体流速在靠近壁面处随离壁面的距离的缩短而逐渐降低；在贴壁处被滞止，处于无滑移状态,23,从y=0、u=0开始，u随着y方向离壁面距离的增加而迅速增大；经过厚度为的薄层，u接近主流速度u,y=薄层流动边界层或速度边界层,边界层厚度,定义：u/u=0.99处离壁的距离为边界层厚度,边界层内：平均速度梯度很大；y=0处的速度梯度最大,24,由牛顿粘性定律：,边界层外：u在y方向不变化，u/y=0,流场可以划分为两个区：边界层区与主流区,边界层区：流体的粘性作用起主导作用，流体的运动可用粘性流体运动微分方程组描述,主流区：速度梯度为0，=0；可视为无粘性理想流体,速度梯度大，粘滞应力大,粘滞应力为零主流区,边界层概念的基本思想,25,流体外掠平板时的流动边界层,临界距离：由层流边界层开始向湍流边界层过渡的距离，xc,平板：,湍流边界层：,临界雷诺数：Rec,粘性底层（层流底层）：紧靠壁面处，粘滞力会占绝对优势，使粘附于壁的一极薄层仍然会保持层流特征，具有最大的速度梯度,26,流动边界层的几个重要特性,(1)边界层厚度与壁的定型尺寸L相比极小，60，就可忽略进口段的影响。,46,3)对流换热过程中管壁及管内流体温度的变化,一般情况下，管壁温度和流体温度都沿流动方向发生变化，变化规律与边界条件有关。,常热流边界条件：,qx常数，流体截面平均温度tm沿流动方向线性变化。,根据,热进口段：,热充分发展段：hx常数，tx常数，壁面温度tw和tm都沿流动方向线性变化。,47,等壁温边界条件：tw=常数,分析结果表明，温差tx沿x方向按指数函数规律变化，tm也按同样的指数函数规律变化。,无论对于常热流还是等壁温边界条件，全管的平均换热温差可按对数平均温差计算，,如果进口温差与出口温差相差不大，,结果与上式偏差小于4%。,48,4)物性场不均匀的影响,换热时流体温度场不均匀，会引起物性场的不均匀。其中粘度随温度的变化最大。粘度场的不均匀会影响速度场，因此影响对流换热。,气体的粘度随温度的升高而增大，液体的粘度随温度的升高而减小，所以当气体被加热或液体被冷却时，越靠近壁面粘度越大，越不容易流动。与等温流动相比，靠近壁面处流速会降低，管中心流速会升高。,49,5)管道弯曲的影响,管道弯曲，离心力的作用会在流体内产生二次环流，增加了扰动，使对流换热得到强化。弯管的曲率半径越小，流速越大，二次环流的影响越大。,50,(2)管内强迫对流换热特征数关联式,1)层流换热,常物性流体在光滑管道内充分发展的层流换热的理论分析结果(没考虑自然对流影响)：,51,常物性流体管内充分发展的层流换热具有以下特点：,(a)Nu的数值为常数，大小与Re无关；,(b)对于同一种截面的管道，常热流边界条件下的Nu比等壁温边界条件高20%左右。,对于长管，可以利用表中的数值进行计算。对于短管，进口段的影响不能忽略，可用下式计算等壁温管内层流换热的平均努塞尔数：,适用条件：,下角标f表示定性温度为流体的平均温度tf,上式没考虑自然对流影响。,52,2)湍流换热,对于流体与管壁温度相差不大的情况（气体：t50；水:t30；油:t10,m=0.36。式中C和n的数值列于表102。,61,如果，对流换热将减弱。当时，,(3)横掠管束,62,对于流体外掠管束的对流换热，计算管束平均表面传热系数的关联式为,Prw采用管束平均壁面温度下的数值，其它物性的定性温度为管束进出口流体的平均温度tf.。,适用条件：,定性温度：,Ref中的流速采用管束最窄流通截面处的平均流速。常数C和m的值列于表10-3中。n为管排数的修正系数，其数值列于表10-4中。,冲击角的修正：,如果，对流换热将减弱，可在上式的右边乘以修正系数。,63,1.自然对流换热的数学描述,以大空间内沿竖直壁面的自然对流换热为例。,对于常物性、无内热源、不可压缩牛顿流体沿竖直壁面的二维稳态对流换热,64,就是重力场中由于密度差而产生的浮升力项.,对于不可压缩牛顿流体，密度只是温度的函数，,惯性力项,浮升力项,粘性力项,根据体胀系数的定义,65,引进下列无量纲变量：,称为格拉晓夫数，表征浮升力与粘性力相对大小，反映自然对流的强弱。,整个微分方程组无量纲化为,动量微分方程：,66,表征浮升力与惯性力之比,如果数值接近1，表征浮升力与惯性力数量级相同，形成自然对流与强迫对流叠加的混合对流换热,纯强迫对流换热，,纯自然对流换热，,67,大空间竖直壁面二维稳态自然对流层流换热分析结果,68,大空间竖直壁面自然对流换热的特点,（1）浮升力是自然对流的动力，格拉晓夫数Gr对自然对流换热起决定作用；,（2）自然对流边界层的最大速度在边界层内部，其数值随Pr增大而减小，位置向壁面移动；,（3）对于液态金属除外的所有流体，。随Pr增大，层流边界层厚度变化不大，但热边界层厚度迅速减小，壁面处温度梯度增大，换热增强；,（4）Gr的大小决定了自然对流的流态，绝大多数文献推荐用瑞利数作为流态的判据；,（5）随着层流边界层的加厚，hx逐渐减小，当边界层从层流向湍流过渡时又增大。实验研究表明，在旺盛湍流阶段，hx基本上不随壁面高度变化。,69,2.大空间自然对流换热特征数关联式,特征数关联式的形式：,(1)等壁温边界条件,定性温度：,70,对于竖直圆柱，当满足式时，可以按竖直壁面处理，C=0.686。,在常见的温度范围内，大气压下空气的物性参数可近似为常数，计算公式可以简化，见书中表10-6。,71,(2)常热流边界条件,壁面热流密度给定，但壁面温度未知，并且沿壁面分布不均匀，往往需要确定局部壁面温度。,对于竖直壁面，引进一个修正的局部格拉晓夫数,适用范围：，层流。,适用范围：，湍流。,定性温度：,由于tw,x未知，需采用试算法。,72,对等壁温和常热流边界条件下的竖直壁面自然对流换热都适用的平均表面传热系数计算公式：,适用范