考研华科动力机械复试内燃机09对流换热的理论基础课件

1、考研华科动力机械复试内燃机09对流换热的理论基础1.边界层的基本概念引入边界层的原因：对流换热热阻的大小主要取决于靠近壁面附近流体的状况,因为这里u、t变化最为剧烈。1)速度边界层流体在壁面附近有一薄层具有明显的速度梯度，称为速度边界层.(1)定义：图5-5 边界层示意图xyxL5-3 边界层型对流换热问题的数学描述考研华科动力机械复试内燃机09对流换热的理论基础cxxy图5-7 掠过平板时边界层的形成和发展平板边界层的形成（一般对平板：Recr500000）(2)换热特点:层流湍流沿壁面法向层流底层湍流核心区导热导热对流导热考研华科动力机械复试内燃机09对流换热的理论基础(3)规定：将物体表

2、面到流体达到来流速度u的99%处的厚度作为速度边界层的厚度。 湍流边界层厚度：层流边界层厚度：mux5/15/4)(37. 0mx2/1Re0 . 5 2)边界层的几个重要特征(d）边界层流动状态分为层流和湍流，湍流边界层内紧靠壁面处保持层流性质，称为粘性底层边界层内壁面的法线方向的速度变化非常剧烈.(c）主流区的流动可视为理想流体的流动,用描述理想流体的运动微分方程求解(a）流场可分为主流区和边界层区l(b）与物体的长度相比，边界层的厚度很小边界层的厚度沿长度方向逐渐增加(1)几个重要特征考研华科动力机械复试内燃机09对流换热的理论基础5100 . 5Recrcrxumuxcr5100 .

3、5临界点crx速度边界层中有层流和紊流，判别层流和湍流的准则数是雷诺数:l板长crxl 层流边界层;crxl 混合边界层;crxl 湍流边界层.湍流边界层的厚度：mxu543137. 0湍流mwx101994 .29底51Re37.0 xx湍流层流边界层厚度：(2)判别:mx2/1Re0 . 5考研华科动力机械复试内燃机09对流换热的理论基础t流体在壁面附近有一薄层具有明显的温度梯度，称为温度边界层，也称为热边界层，厚度用 表示。 tftftt0.99tf1.01tfyyttt=f(y)t=f(y)twtwfttty99. 0tftwtftwwtty 0(1)定义：xx图5-8 热边界层3)热

4、边界层考研华科动力机械复试内燃机09对流换热的理论基础 热边界层的厚度与速度边界层的厚度有关，一般来说并不相等。 两种边界层并非同时形成于平板前缘。速度边界层形成于平板前缘。热边界层形成于有温差的地方。(2)特点:假设：层流流动; 两种边界层同时形成于平板前缘; 在 的条件下;用近似积分法可得: 1/t275Pr52. 4026. 1Pr3131uxtppcca/PrPr数反映了流体中分子的动量扩散和热量扩散的相对程度。 式中：Pr 为无量纲量，称为普朗特准则:aPr4)速度边界层厚度与热边界层的关系考研华科动力机械复试内燃机09对流换热的理论基础2换热微分方程组 twyxq)(fwxxtth

5、q局部热流密度按牛顿计算公式为 ttwf0 xqttwf0 xq 局部热流密度按付立叶定律 0)(yxytq0)()(yxfwxyttthftutf ,根据热边界层理论，热边界层的平均温度梯度twfttyt)(考研华科动力机械复试内燃机09对流换热的理论基础层流边界层twfyttyt0)(则得th/湍流边界层，设层流底层与湍流支流层交界面温度为 tc，热量以导热方通过层流底层)(wctttq牛顿公式)(wftthq从上两式可得wfwcctttth1)换热微分方程0)(yfwyttth450yytth考研华科动力机械复试内燃机09对流换热的理论基础 常物性、不可压缩流体二维稳定流动时，其边界层对

6、流换热微分方程组简化为 连续性方程： 1450yvxu动量方程： 155122yudxdpyuvxuu能量方程： 16522ytaytvxtu 换热方程： 450yytth几何条件：换热物体的形状和尺寸；2)单值性条件 (2) 物性条件：流体的种类以及热物性参数； (4) 边界条件：流体边界面上的速度和温度等； (3) 时间条件：过程起始时刻的速度和温度等值， 若为稳定过程就没有时间条件。对流换热问题一般只有第一类(给定温度)和第二类(给定热流)。考研华科动力机械复试内燃机09对流换热的理论基础速度均匀 u 温度均匀 tf 平壁上面温度tw 边界条件可表示为；，：；，：ttuuyttvuyw0

7、00求解这个微分方程组，可得速度边界层厚度: 225Re64. 4xx壁面上的粘性切应力: 235Re323. 020uyuxyxw3.微分方程组的分析求解简介u主流区边界层区xl考研华科动力机械复试内燃机09对流换热的理论基础 求解结果： 175PrRe332. 03121xxxh195PrRe332. 03121xxxlhNu局部表面传热系数： 3121332. 0axuxhx外掠等温平板的无内热源的层流对流换热问题的分析解为：式(5-19)以特征数形式表示的对流换热计算式称为特征数方程,习惯上称为准则方程或关联式.xhNuxx局部努谢尔数:反映对流换热的强度。 速度边界层与热边界层有何区

8、别？有何共同点？为什么速度边界层愈厚时，热边界层也愈厚？思 考 题考研华科动力机械复试内燃机09对流换热的理论基础21521233yyuu225Re64. 4xx1. 边界层积分方程及主要求解结果摩擦系数: 245Re664. 0)21 (212xwfuC求解结果: 边界层中的速度分布为离开前缘处的边界层厚度的无量纲表达式为在处的局部壁面切应力为235Re323. 0 xwu5-4 流体外掠平板传热层流分析解及比拟理论考研华科动力机械复试内燃机09对流换热的理论基础255Re292. 121210 xflffmcdxclc在长度为l的一段平板上的层流平均摩擦系数为 求解动量方程可以获得 的精确解21Re664. 0,Re0 . 5xfxcxfcx,在 的条件下;用近似积分法可得: 1/t275Pr52. 4026.