传输原理第十章--对流换热PPT课件

.,1,第十章对流换热,定义：流体流过固体物体表面所发生的热量传递对流换热的基本计算式是牛顿冷却公式，即热流密度为：（1）对于面积为A的接触面，对流换热的热流量为：（2）,确定换热系数的途径：理论解法：分析解法、积分近似解法、数值解法和比拟解法实验研究：相似原理,.,2,第一节对流换热的机理及影响因素,一、对流换热的机理傅里叶定律：.（A）牛顿冷却公式与上式联立.(B),换热微分方程,.,3,对流换热分类：强制对流换热、自然对流换热区别被流体冲刷的换热面的几何形状和布置：,二、影响对流换热的主要因素(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,.,4,第二节对流换热微分方程组,一、能量微分方程非稳定导热问题，引伸到有流动的场合，热平衡式为：（导热进入微元体热量Q1）+（对流进入微元体热量Q2)(微元体中流体焓增H).（1-a）由导热进入微元体的热量为：.（1-b）由对流进入微元体的热量分析参看下图。流体在x、y、z方向的速度分量分别为x，vy、z。先分析x方向上对流的热量流入及流出的情况。,.,5,dt时间内，由x处的截面进入微元体的热量为：.（1-c）同时间内由x+dx截面流出微元体的热量为：.（1-d）dt时间内x方向进入微元体的热量：.（1-e）,.,6,同理，在y和z方向上得出相应的关系式：.（1-f）.（1-g）dt时间内，由对流进入微元体的总热量Q2为：流体在稳态、常物性条件下，中括号中第二项为零？有：.（1-h）在dt时间内，微元体中流体的焓增为：（1-i）将（1-b、h、i）三式代入（1-a）即可得能量微分方程：,.,7,二、动量微分方程推导动量微分方程(NS方程)的依据是牛顿第二定律，即作用于微元体上所有外力之和等于惯性力(即质量乘以加速度)。三、连续性微分方程推导连续性微分方程的依据是质量守恒定律。即在单位时间内，净流入微元体的质量等于微元体内的质量增量。,.,8,第三节对流换热的准数方程式,一、对流换热的相似准数对流体换热的相似问题：几何相似、运动相似、热相似和边界条件相似等流体的热量传输微分方程式(或称能量微分方程)为：（1-a）设有两个对流换热的相似现象，分别用“”或“”，表示，则可对上述方程进行相似转换如下：.(1-b).(1-c),.,9,两现象的速度、空间、温度、时间、热扩散率等的相似常数关系式为:.(1-d)将上式代入（1-c）得：.（1-e）比较式（1-e）和式（1-b）可得出如下结果：,.,10,将式(1d)再代入上两式，得：.（2）.（3）考虑对流换热的边界条件，对流换热微分方程为,.,11,对上述的边界方程作相似转换：.（3-a）与上述推导过程一样，可得出：即固有：.（4）二、对流换热的准数方程式描述对流换热现象的一般性准数方程式为：.（5）,.,12,相似准数的物理意义：(1)Nu由边界换热微分方程而来，它反映了对流换热在边界上的特征，Nu数也可变换为：(2)Fo为傅里叶数，来自导热微分方程与时间因素有关。因=/（C），将Fo作如下变换得：(3)Pr是流体物性的无因次组合，又称物性准数。可变换为：,.,13,(4)Pe来自导热微分方程式，表明温度场在空间分布的准数。可变换为：在对流换热中，被决定准数是Nu数，与对流换热有关的其它准数是Re、Gr、Pr。准数方程：湍流强制对流换热时，表示自然对流浮升力影响的Gr数可以忽赂，准数方程简化为：自然对流时又可忽略Re数，而有：在具体应用时，多表示为幂函数形式：,.,14,定性温度和特性尺度确定准则中物性的温度称为定性温度。不同的定性温度将影响准则关系式的具体形式。流体的平均温度tf，流体主流与壁面的平均温度tm=(tf+tw)/2准则中包含的几何尺度l称为特性尺度。一般选用在对流换热中起决定作用的几何尺度作为特性尺度。,外掠平板的长度，管内径，管外径,.,15,第四节强制对流换热的计算,一、外掠平板1.流体顺着平板掠过时，层流至湍流的转变临界雷诺数的确定在一般有换热的问题中取Re下临51052.平板在常壁温边界条件下平均表面传热系数准则关系式如下：层流区：Re51053.最终达到湍流区(5105Re107)时全长合计的平均表面传热系数可按以下准则式先计算出Nu，再算出：,.,16,例24的空气以60ms的速度外掠一块平板，平板保持216的板面温度，板长0.4m，试求平均表面传热系数(不计辐射换热)。,.,17,二、横掠圆柱(圆管)流体横向掠过圆柱管时的流动特点a)Re=23b)Re120,.,18,通用准则式进行平均表面传热系数（气体）的计算：（1）在不同Re区段内c和n具有不同的数值。定性温度采用边界层平均温度Tm=（Tw+T）/2，特征尺度取圆往外径d，Re数中的流速按来流流速计算。表1c和n值冲击角：流体流动方向与圆柱轴线的夹角。以上冲击角为90的正面冲击。斜向冲击时，引用一个小于1的经验冲击角修正系数来考虑这种影响。,.,19,.（2）圆柱面的冲击角修正系数例空气正面横掠外径d20mm的圆管。空气流速为1m/s。已知空气温度tt20，管壁温度tw80，试求平均表面传热系数。,.,20,三、绕流球体流体与球体表面间的平均表面传热系数可按下列准数方程计算：（3）.（4）(3)适用范围：17Rem70000。定性温度为Tm，定型尺寸为球体直径d。(4)适用范围：1Rem70000；0.6Prm400。定性温度为Tm，定型尺寸为球体直径d。(4)式表明，Rem0时，Num趋近于2。这一结果相当于在无限滞止介质中，温度均匀的球体稳态导热时求得的Num值。,.,21,四、管内流动管内流动换热分有层流和湍流的不同规律。临界雷诺数Re=2320为界，Re2320为层流；Re1104为旺盛湍流；介于这两个雷诺数之间为层流向湍流转变的过渡区段。在Re10000的旺盛湍流区，使用最广的实验准则式为：（5）右图示出了换热时速度分布畸变的景象。图中曲线1为等温流动的速度分布；图中曲线2为液体被冷却时的速度分布图中曲线3为液体被加热时的速度分布,适用范围？,.,22,超出以上限制时，必须考虑不均匀物性的影响，推荐在下列实验准则式中任选一个进行计算：（6）.（7）三点讨论：(1)非圆形截面槽道，当量直径按下式计算：.（8）(2)入口段修正流体进入管口总要经历一个流动尚未定型的阶段，如下图所示。,.,23,入口段局部换热系数的变化a)层流b)湍流通常工业设备中常见尖角入口，推荐入口段修正系数，即：（9）(3)弯管修正系数流体流过弯曲管道或螺旋管时，会引起二次环流而强化换热。,.,24,右图定性表示截面上的二次环流。可以用一个大于1的弯管修正系数来反映这种强化作用，即对于气体（10）对于液体.（11）对于自然对流受到抑制时，推荐下列准则关系式：.（12）完全发展的层流，在恒定壁面热流通量的条件下圆管内热交换的Nu数为：在恒定壁面温度的条件下，圆管内热交换的Nu数也是常量；Nu3.66。,.,25,例在一个换热器中用水来冷却管壁。管内径d17mm，长度l1.5m。已知冷却水流速2m/s，冷却水的平均温度(进出口截面上平均温度的算术平均值)tf30，壁温tw35，试计算表面传热系数。,.,26,第五节自然对流换热的计算,一、自然对流换热的特点自然流动或自然对流：静止流体与固体表面接触，存在温度差，引起密度差，在浮力作用下产生流体上下的相对运动。自然对流换热中，Gr准数起决定性作用表示浮力与粘性力之比，并且包括温度差T。靠近固体表面流体的流动层就是自然对流边界层，贴近固体表面处流速为零，而边界层以外静止流体的流速也为零，因而在边界层内存在一流速极大值，如图所示：,.,27,格拉肖夫准则Gr的物理意义在于：Gr值越大，引起对流的浮力相对于阻力越大，自然对流也越强烈。二、自然对流换热的计算自然对流换热的准数方程式一般如下，即：上述准数方程只适用于表面温度Tm为常数的情况。对于其它形体的自然对流换热可作如下处理后再应用上述公式。,.,28,表1自然对流中的C及n值,.,29,1非对称平板取特征尺寸L=AS2块状物体水平面，侧面同时发生自然对流换热时3对长方体取特征尺寸为4在101.3kPa(标准大气