第11章对流换热

1、第第1111章章 对流换热对流换热 运动着的流体与固体壁面之间的热传递过程称为对流运动着的流体与固体壁面之间的热传递过程称为对流换热。换热。 对流换热是热对流和热传导两种热传递基本方式同时对流换热是热对流和热传导两种热传递基本方式同时起作用的一种复杂的热传递过程。因此起作用的一种复杂的热传递过程。因此, ,影响对流换热的影响对流换热的因素远比导热要多。因素远比导热要多。 本章旨在揭示对流传热过程的本章旨在揭示对流传热过程的物理本质物理本质、数学描述方数学描述方法法和和实验研究的基本原则实验研究的基本原则。11.1 11.1 概述概述11.1.1 牛顿冷却公式牛顿冷却公式：wfha ttw q

2、2/wfh ttwm对于外部绕流，对于外部绕流，tf取流体取流体的主流温度，即远离壁面的主流温度，即远离壁面的流体温度的流体温度t；对于内部；对于内部流动，流动，tf取流体的平均温取流体的平均温度。度。 （a）局部对流换热）局部对流换热 （c）平均换热系数）平均换热系数xfwxxtthq)(axfwxaxdatthdaq)(（b）整体对流换热）整体对流换热axfwdahtt)(若若(tw-tf)x=tw-tf=常数，则常数，则axdahah111.1.2 对流换热的影响因素对流换热的影响因素1.1.流动的起因流动的起因强迫对流强迫对流自然对流自然对流流速缓慢，流体分层地平行于壁面方向流动，流速

3、缓慢，流体分层地平行于壁面方向流动，垂直于流动方向上的热量传递主要靠分子扩垂直于流动方向上的热量传递主要靠分子扩散（即导热）。散（即导热）。流体冷、热部分的密度差产生的浮升力引起，流体冷、热部分的密度差产生的浮升力引起，无整齐的宏观运动。无整齐的宏观运动。2.2.流动的状态流动的状态层流层流紊流紊流外力迫使流体产生运动，有整齐的宏观运动，外力迫使流体产生运动，有整齐的宏观运动，流速是决定因素流速是决定因素。流体内存在强烈的脉动和旋涡，使各部分流流体内存在强烈的脉动和旋涡，使各部分流体之间迅速混合，因此紊流对流换热要比层体之间迅速混合，因此紊流对流换热要比层流对流换热强烈，表面传热系数大。流对流

4、换热强烈，表面传热系数大。4.4.流体的物理性质流体的物理性质热导率热导率 、密度、密度 、比热容比热容c、动力粘度、动力粘度、体涨系数、体涨系数11ppvvtt 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。小，因此影响自然对流换热。3.3.液体有无相变液体有无相变有相变有相变无相变无相变壁温高于流体饱和温度，发生汽化沸腾现象壁温高于流体饱和温度，发生汽化沸腾现象对流换热系数比有相变时小得多对流换热系数比有相变时小得多流体流体热导率热导率 越大，流体导热热阻越小，对流换热越强越大，流体导热热阻越小，对流换热越

5、强烈。烈。用来确定物性参数数值的温度称为定性温度。用来确定物性参数数值的温度称为定性温度。 c反映单位体积流体热容量大小，数值越大，通过对反映单位体积流体热容量大小，数值越大，通过对流转移的热量越多，对流换热越强烈。流转移的热量越多，对流换热越强烈。粘度粘度影响速度分布与流态，对对流换热有影响。影响速度分布与流态，对对流换热有影响。常用定性温度：流体的平均温度常用定性温度：流体的平均温度tf、壁面温度、壁面温度tw以及流以及流体与壁面的算术平均温度体与壁面的算术平均温度1/2(tw+t)5.5.换热表面的几何因素换热表面的几何因素 换热壁面的形状、尺寸、相对于流动方向的位置以及表面粗换热壁面的

6、形状、尺寸、相对于流动方向的位置以及表面粗糙度等几何因素都会引起换热系数的变化。糙度等几何因素都会引起换热系数的变化。11.1.3 对流换热的主要研究方法对流换热的主要研究方法1.分析法分析法2.数值法数值法3.实验法实验法4.比拟法比拟法为简化分析，做如下假设：为简化分析，做如下假设： 流体为连续性介质，流体为连续性介质， 流体为常物性，流体为常物性， 不可压缩，不可压缩， 流体为牛顿流体，流体为牛顿流体， 无内热源，忽略粘性耗无内热源，忽略粘性耗散产生的耗散热，散产生的耗散热， 以二维对流换热为例。以二维对流换热为例。11.2 11.2 对流换热过程的数学描述对流换热过程的数学描述11.2

7、.1 对流换热微分方程及其单值性条件对流换热微分方程及其单值性条件1. 对流换热微分方程对流换热微分方程,0 xwfx ythytt 局部换热系数在整个换热面上的积分平均值为该换热面的局部换热系数在整个换热面上的积分平均值为该换热面的平均换热系数。平均换热系数。 xyytq，0 xxwxtthqx0)(ywyttth 上式建立了对流换热表面传热系数与温度场之间的关系。上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包括描写速度场和温度场的微分方程。型应该包括描写速度场和温度场的微

8、分方程。1 1）基于质量守恒定律的连续性微分方程）基于质量守恒定律的连续性微分方程0uvxy2 2）基于动量定律的动量微分方程）基于动量定律的动量微分方程, ,x方向方向2222()()xuuupuuuvfxyxxy惯性力项惯性力项体积力项体积力项 压力梯度项压力梯度项 粘滞力项粘滞力项uxpfdux2dyyuxxuududuhddyxytxtdd2222yhxhh,dxxhxhxh,xxxhd,xxyutcpdd yxxutcpddyh, yxyvtcpdd yxyvtxutcphddyxtcupdddduhdd2222ytxtytvxtutcptadt22. 对流换热的单值性条件对流换热的

9、单值性条件w, , ,tf x y zw, , ,qf x y zwwqtn 11.2.2 11.2.2 边界层理论与对流换热微分方程组的边界层理论与对流换热微分方程组的简化简化0yuy0.99uul56c2 10 3 10cuxre5c5 10re ww0.99tttttprattttl、0uvxy2222xuuupuuuvfxyxxy2222yvvvpvvuvfxyyxyptttcuvxy2222ttxytl、yxuv0uvxy221uudpuuvxydxy ttuvxy22tay212pu常数dpduudxdx dpduudxdx 0uvxy22uuduuuvuxydxyttuvxy22tay11.3 11.3 外掠等壁温平板层流换热外掠等壁温平板层流换热分析解简介分析解简介 1.1. 对流换热特征数关联式对流换热特征数关联式wf,hfuttcl3121332. 0prrexhnuxxx6 . 0pr,nuf re prwwttttuvvuuulyylxx ，0ywyttth0yyhlhlu n11.4 对流换热的实验研究方法对流换热的实验研究方法312123 tctc/,/tt312123lrrrrdlcrrrrdllc/,