传热学对流传热的理论基础ppt课件

1、第五章第五章 对流传热的实际根底对流传热的实际根底5.1 对流传热概述对流传热概述1. 对流传热的定义、研讨对象对流传热的定义、研讨对象流体流过固体外表时，流体与固体之间的热量传送。() W() WwwwwtthA tttthA tt若，若，工程上商定的计算习惯：工程上商定的计算习惯：h为对流传热系数或外表传热系数，单位为为对流传热系数或外表传热系数，单位为W/(m2.K)，不，不是流体的属性，而是为方便工程计算而定义的参数。是流体的属性，而是为方便工程计算而定义的参数。普朗特边境层实际：粘性流体流过固体外表时，粘滞性普朗特边境层实际：粘性流体流过固体外表时，粘滞性起作用的区域仅仅局限在接近壁

2、面的薄层内。起作用的区域仅仅局限在接近壁面的薄层内。流体流过固体外表时，。流体流过固体外表时，。2. 对流传热系数对流传热系数由傅里叶定律：由傅里叶定律：2 W mwqty 2 W/m wqh th tt 对流传热的定义式：对流传热的定义式：在边境层不零落的前提下：在边境层不零落的前提下： =wqh tty =whtty 2W (m K)hx 取决于流体热导系数、传热温度差和贴壁流体的温度梯度取决于流体热导系数、传热温度差和贴壁流体的温度梯度温度梯度由边境层的温度场确定，温度场取决于其流场，温度梯度由边境层的温度场确定，温度场取决于其流场，即取决于流体热物性、流动情况、流速及其分布、外表粗即取

3、决于流体热物性、流动情况、流速及其分布、外表粗糙度。糙度。u ; t t w3. 对流传热系数的主要影响要素对流传热系数的主要影响要素 流动的动力强迫对流传热，自然对流传热；流动的动力强迫对流传热，自然对流传热； 流动形状层流，湍流流动形状层流，湍流; (3) 流体的热物理性质流体的热物理性质 ； (4) 流体有无相变流体有无相变; (5) 换热外表的几何要素管内强迫对流，外掠圆管对换热外表的几何要素管内强迫对流，外掠圆管对流。流。, ,pc ( , , , , , , , )phf vcl 4. 对流传热的物理机制对流传热的物理机制几种说法：几种说法：1对流传热是导热与热对流同时存在的复杂热

4、传送过对流传热是导热与热对流同时存在的复杂热传送过程程;2对流传热的本质是导热；对流传热的本质是导热；3对流传热的物理机制是边境层。对流传热的物理机制是边境层。了解：紧贴固体外表的流体薄层，为边境层的底层，它与了解：紧贴固体外表的流体薄层，为边境层的底层，它与固体外表间没有相对运动，热量只能经过导热的方式由流固体外表间没有相对运动，热量只能经过导热的方式由流体传送给固体或由固体传送给流体，而边境层本身的体传送给固体或由固体传送给流体，而边境层本身的特征却遭到对流的影响。特征却遭到对流的影响。5.2 对流换热传热问题的数学描写对流换热传热问题的数学描写ptttttcuvxyxxyy1. 运动流体

5、的能量守恒方程二维对流换热运动流体的能量守恒方程二维对流换热 关于上述方程的几点阐明：关于上述方程的几点阐明：1方程由非稳态项、对流项、分散项组成；方程由非稳态项、对流项、分散项组成；2运动流体的能量守恒方程中引入了流场变量运动流体的能量守恒方程中引入了流场变量 。3导热能量守恒方程：导热能量守恒方程：4流体中有内热源：流体中有内热源：ptttcxxyy222( , )2uvuvx yxyxyuv和222222220()()xyuvxyuuupuuuvFxyxxyvvvpvvuvFxyyxy质量守恒方程：动量守恒方程：2. Navier-Stokes方程方程1820年年1850年年4个方程，4

6、个未知量: 速度 u、v；温度 t；压力 p；求解出温度场后，即可以根据 求得外表传热系数。但是，当时人们无法求解N-S方程。直到1904年-1908年，普朗特提出边境层实际。,xw xthty 控制方程控制方程222222220()()xypuvxyuuupuuuvFxyxxyvvvpvvuvFxyyxytttttcuvxyxxyy3. 速度边境层的实际回想流膂力学知识速度边境层的实际回想流膂力学知识边境层实际是在研讨流体流过固体外表时阻力特性的问题时提出。,dwwwAFdAuy 研讨背景研讨背景阻力特性在工业设计中的运用举例阻力特性在工业设计中的运用举例流线型设计流线型设计流动边境层：在固

7、体外表附近流体速度发生猛烈变化的流动边境层：在固体外表附近流体速度发生猛烈变化的薄层；特征薄层；特征: (1)薄；薄；(2)沿平板长度层流过渡到湍流。沿平板长度层流过渡到湍流。普朗特边境层方程普朗特边境层方程1904年提出年提出222222220()()xyuvxyuuupuuuvFxyxxyvvvpvvuvFxyyxy由于由于,uvyx220()uvxyuuuuvdpdxxyyN-S方程方程上述方程可解。普朗特的学生布拉休斯胜利求解了边境层方程1908年，得到边境层内速度场。知速度场后，便可求得边境层的厚度、部分阻力等。最终得到如下结果：25.00.6440.5xwfxxReCuRe层流：层

8、流：xu xRex为当前点与板前缘的间隔。上述实际解与实验值吻合。上述实际解与实验值吻合。普朗特边境层实际在流膂力普朗特边境层实际在流膂力学开展史上具有划时代的意学开展史上具有划时代的意义！义！5.3 流体外掠等温平板传热的实际分析流体外掠等温平板传热的实际分析00, 0, 0.99wwtwyTTyTT厚度t 范围 热边境层或温度边境层t 热边境层厚度当壁面与流体间有温差时，会产生温度梯度很大的温度当壁面与流体间有温差时，会产生温度梯度很大的温度边境层热边境层，边境层热边境层， thermal boundary layer 13Prt1. 流体外掠等温平板的传热流体外掠等温平板的传热层流问题分

9、析层流问题分析22220puvxyuuutttuvxyuxyyyvc根据边境层实际简化的对流传热问题根据边境层实际简化的对流传热问题22m /sm /spac对于主流场均速对于主流场均速 、均温、均温 ，并给定恒定壁温的情况下，并给定恒定壁温的情况下的流体纵掠平板换热，即边境条件为的流体纵掠平板换热，即边境条件为00,0,wyuvttyuutt时时tu求解上述方程组求解上述方程组(层流边境层对流换热微分方程组层流边境层对流换热微分方程组)，得到温，得到温度场后，可得部分外表传热系数度场后，可得部分外表传热系数 的表达式的表达式xh3121332. 0axuxhx留意：层流留意：层流312133

10、2. 0axuxhx1 21 30.332xxNuRePrx为当前点与板前缘的间隔。为当前点与板前缘的间隔。上述实际解与实验值吻合。上述实际解与实验值吻合。=Pra1部分对流传热系数，平均对流传热系数部分对流传热系数，平均对流传热系数部分对流传热系数部分对流传热系数平均对流传热系数边境层完全处于层流形状平均对流传热系数边境层完全处于层流形状x为平板长度。x为当前点与板前缘的间隔。2. 对于外掠平板层流分析解的几个讨论对于外掠平板层流分析解的几个讨论11320.332xxxh xNuRePr0.6Pr 11320.664xxxh xNuRePr0.6Pr 11321/20010.332()()x

11、xxxudxhh dxPrxxx2实验测定平均对流传热系数实验测定平均对流传热系数3121332. 0axuxhx1 21 30.332xxNuRePr特征数方程特征数方程或准那么方或准那么方程程 式中：xhNuxx努塞尔(Nusselt)数xu xRe雷诺(Reynolds)数Pra 普朗特数留意：特征留意：特征尺度为当地尺度为当地坐标坐标x准那么方程的适用条件：外掠等温平板、无内热源、层流准那么方程的适用条件：外掠等温平板、无内热源、层流3特征数方程特征数方程特征数方程中的特征数方程中的几位人物几位人物4 与与 t 之间的关系及之间的关系及 Pr对于外掠平板的层流流动对于外掠平板的层流流动

12、:22ytaytvxtu此时动量方程与能量方程的方式完全一致此时动量方程与能量方程的方式完全一致:0 ,dxdpconstu22 yuyuvxuu动量方程：阐明：此情况下动量传送与热量传送规律类似阐明：此情况下动量传送与热量传送规律类似特别地：对于特别地：对于 = a 的流体的流体Pr =1，速度场与无量纲，速度场与无量纲温度场将完全类似，表示流动边境层和温度边境层的厚温度场将完全类似，表示流动边境层和温度边境层的厚度一样。度一样。Pr：表征流动边境层与热边境层的大小，反映了流体中：表征流动边境层与热边境层的大小，反映了流体中动量分散与热分散才干的对比。动量分散与热分散才干的对比。5实际分析解

13、的适用条件实际分析解的适用条件外掠等温平板、层流、无内热源外掠等温平板、层流、无内热源详细见详细见P221，表，表5-2可以得到实际解的对流传热问题非常少。实验是不可或缺的手段，然而，经常遇到如下两个难题:(1) 变量太多5.4 类似原理及其运用类似原理及其运用( , , , , , , )phf vcl 1. 问题的提出问题的提出A 实验中应测哪些量能否一切的物理量都测B 实验数据如何整理整理成什么样函数关系(2) 实物实验很困难或太昂贵的情况，如何进展实验？实物实验很困难或太昂贵的情况，如何进展实验？类似原理将回答上述两个问题！类似原理将回答上述两个问题！2. 类似原理的研讨内容：研讨类似

14、物理景象之间的关类似原理的研讨内容：研讨类似物理景象之间的关系系狭义类似：对于同一类的物理景象，在相应的时辰与狭义类似：对于同一类的物理景象，在相应的时辰与相应的地点上与景象有关的物理量一一对应成比相应的地点上与景象有关的物理量一一对应成比例。例。广义类似：用一样方式并具有一样内容的微分方程式广义类似：用一样方式并具有一样内容的微分方程式所描写的景象。所描写的景象。3. 类似实际在建立对流传热关联式中的运用类似实际在建立对流传热关联式中的运用同名特征数对应相等；同名特征数对应相等；各特征数之间存在着函数关系，如常物性流体外掠平各特征数之间存在着函数关系，如常物性流体外掠平板对流换热特征数：板对

15、流换热特征数：()Nuf Re, Pr特征数方程：无量纲量之间的函数关系类似实际另一方面的实际根底类似实际另一方面的实际根底举例：二维对流传热边境层方程举例：二维对流传热边境层方程无因次化处置无因次化处置预期解的方式预期解的方式4. 如何指点实验如何指点实验同名的已定特征数相等同名的已定特征数相等单值性条件类似：初始条件、边境条件、几何条单值性条件类似：初始条件、边境条件、几何条件、物理条件件、物理条件实验中只需丈量各特征数所包含的物理量,防止了丈量的盲目性处理了实验中丈量哪些物理量的问题按特征数之间的函数关系整理实验数据，得到适用关联式处理了实验中实验数据如何整理的问题可以在类似原理的指点下

16、采用模化实验 处理了实物实验很困难或太昂贵的情况下，如何进展实验的问题实验数据如何整理整理成什么样函数关系实验数据如何整理整理成什么样函数关系()Nuf Gr, Pr自然对流换热：()NufRe, Gr, Pr混合对流换热：Nu 待定特征数 含有待求的 hRe，Pr，Gr 已定特征数() (,)xNuf Re,PrNuf xRe,Pr强制对流：；特征关联式的详细函数方式、定性温度、特征长度等确实定需求经过实际分析，同时又具有一定的阅历性。图解法处置实验结果：幂函数在对数坐标图上是直线图解法处置实验结果：幂函数在对数坐标图上是直线21tg; nlNunclRenNucRelg lglgNucnRe关联式中的待定参数需由实验数据确定，通常由图解法关联式中的待定参数需由实验数据确定，通常由图解法和最小二乘法确定。如经过类似原理或实际分析，预期和最小二乘法确定。如经过类似原理或实际分析，预期解的方式为：解的方式为：本章小结本章小结1. 牛顿冷却公式 重点掌握； 2. 对流传热系数的影响要素了解