传输原理教案(第9章)传热课件

1、1传输原理教案(第9章)传热9.1 对流对流换热基本概念换热基本概念对流换热对流换热是指是指 “相对于固体表面流动的相对于固体表面流动的” 流体流体与与固体表面固体表面之间的之间的热量传输。热量传输。描述：描述： 对流换热对流换热是在是在流体流动进程中发生流体流动进程中发生的热量传递现象。的热量传递现象。 它是依靠它是依靠流体质点的移动流体质点的移动进行热量传递的。进行热量传递的。 与流体的与流体的流动情况流动情况密切相关。密切相关。 1. 1. 当流体作层流流动时，在当流体作层流流动时，在垂直于流体流动方向上垂直于流体流动方向上的热的热量传递，量传递，主要以热传导主要以热传导（也有较弱的自然

2、对流）的方（也有较弱的自然对流）的方式进行。式进行。第二篇第二篇 ：热量传输热量传输2传输原理教案(第9章)传热第二篇第二篇 ：热量传输热量传输总结：总结：对流换热：导热对流换热：导热 + 热对流；壁面热对流；壁面+流动流动3传输原理教案(第9章)传热对流换热的分类：对流换热的分类： 1. 从流动起因分：从流动起因分：自然对流自然对流：流体因：流体因各部分温度不同各部分温度不同而引起的而引起的密度差异密度差异所产生的流动所产生的流动（Free convection）强制对流：强制对流：由外力（如：泵、风机）作用所产生的流由外力（如：泵、风机）作用所产生的流动动（Forced convectio

3、n）第二篇第二篇 ：热量传输热量传输4传输原理教案(第9章)传热 2. 从从换热表面的几何因素换热表面的几何因素分：分：内部流动内部流动对流换热对流换热：管内或槽内：管内或槽内外部流动外部流动对流换热对流换热：外掠平板、圆管、管束：外掠平板、圆管、管束 3. 从流动状态分：从流动状态分：层流层流：整个流场呈一簇互相平行的流线。：整个流场呈一簇互相平行的流线。（Laminar flow）湍流湍流：流体质点做复杂无规则的运动。：流体质点做复杂无规则的运动。（Turbulent flow）5传输原理教案(第9章)传热 4. 从流体有无相变分：从流体有无相变分：单相换热：单相换热： （Single p

4、hase heat transfer）相变换热：相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等凝结、沸腾、升华、凝固、融化等（Phase change）：）： Condensation、Boiling6传输原理教案(第9章)传热7传输原理教案(第9章)传热8传输原理教案(第9章)传热9传输原理教案(第9章)传热速度边界层和温度边界层速度边界层和温度边界层关系：关系：1. 既有联系，也有区别。2. 温度分布受速度分布的影响，但是它们的分布曲线并不相同。速度边界层厚度和温度边界层厚度不相等。 10传输原理教案(第9章)传热紊流条件下的温度边界层分为三个区域：紊流条件下的温度边界层分为三个区域： （1）紊

5、流区 （p186特点） （2）过渡区，（3）层流底层区.11传输原理教案(第9章)传热h是对流换热系数是对流换热系数，是一个把众多影，是一个把众多影响对流换热因素综合而成的系数。响对流换热因素综合而成的系数。第二篇第二篇 ：热量传输热量传输Ts, Tf 分别为璧面温度和流体温度，分别为璧面温度和流体温度， F是换热面积，是换热面积，h是对流换热系数，是对流换热系数，Q 是热流量，是热流量， q是热流密度。是热流密度。12传输原理教案(第9章)传热9.1.3. 对流换热系数对流换热系数 h 的计算式的计算式固体壁面处（固体壁面处（y=0）, 该处的热量传输只有导热。该处的热量传输只有导热。导热速

6、率导热速率对流换热速率对流换热速率TyyTfTsTyyTh00(9-3) 对流换热系数对流换热系数 h 的计算式，的计算式，也叫也叫 “换热微分方程换热微分方程”13传输原理教案(第9章)传热 1 流体的物理性质流体的物理性质：影响较大的物性如密度、比热cp、导热系数、粘度等； 2 流体的状态流体的状态：液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变。有相变时对流传热系数比无相变化时大的多； 3 流体的运动状况：流体的运动状况：层流、过渡流或湍流 (Re)； 4 流体对流的状况：流体对流的状况：自然对流，强制对流； 5 传热表面的形状、位置及大小传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束、管径、管

7、长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。14传输原理教案(第9章)传热15传输原理教案(第9章)传热由能量守恒定律，有如下关系式：由能量守恒定律，有如下关系式：对流输入的热量对流输入的热量 对流输出的热量对流输出的热量+传导输入的热量传导输入的热量 传导输出的热量传导输出的热量微元体内能的累积量微元体内能的累积量16传输原理教案(第9章)传热经推导，最后得到经推导，最后得到热量平衡方程热量平衡方程 ：（：（9-5）和（）和（9-6） 也叫做也叫做傅立叶傅立叶-克希霍夫方程（克希霍夫方程（F-K 方程）方程） 222222zTyTxTazTvyTvxTvtTzyx（9-5）TaDtDT2（9-6

8、）实体导数傅立叶克希霍夫导热微分方程条件：1) ，cp均为常数，不可压缩流体。 2) 无内热源，无粘性耗散。纯固体导热（没有流动）：TatT2（8-10）17传输原理教案(第9章)传热柱坐标系下的热量平衡方程热量平衡方程 ： P.191, (9-7)式 （）球坐标系下的热量平衡方程热量平衡方程 ： P.191,(9-8)式（）222222zTyTxTazTvyTvxTvtTzyx未知数：T，vx, vy, vz引入三个动量平衡（N-S）方程 和 连续性方程 （引入p）再加上对流换热微分方程：观察（9-5）式热量平衡方程18传输原理教案(第9章)传热对流换热微分方程组：F-K 方程 (9-5)式

9、N-S 方程 (3-47)(3-49)式连续性方程 (3-44)式换热微分方程 (9-3)式未知数：T，vx, vy, vz，p，h理论上可以求解。（见P.191）19传输原理教案(第9章)传热TyyTh09.3.1. 平板边界层对流换热微分方程组边界层对流换热微分方程组 (层流，稳定)22yTayTvxTvyx换热微分方程（9-3）F-K方程（9-9）22yvyvvxvvxxyxxN-S方程（3-94）0yvxvyx连续性方程（3-92）边界条件：（平板温度不变） y=0时， vx =0, vy =0, T =TsT02) y=时， vx =v , T =T20传输原理教案(第9章)传热aP

10、rpca定义普朗特数(物性准数)pcPr普朗特数Pr表示：动量传输和热量传输能力的相对大小。在边界层理论当中，Pr是速度边界层与温度边界层的相对厚度指标。Pr 1， a , TPr1， T21传输原理教案(第9章)传热方程组精确解 (实际包含了近似处理) 示于p.194，图9-8。图9-8，各种Pr下的平板上层流边界层内的无量纲温度分布纵坐标无量纲温度00TTTT横坐标xvy关系与Pr有关。Pr1，温度分布与速度分布规律相同。22传输原理教案(第9章)传热气体气体 Pr数一般为0.61，且几乎不随温度变化。一般液体一般液体(水，有机液体等水，有机液体等) Pr 1 (Pr=250), T液态金

11、属液态金属 Pr 1， 0.5时， (9-15)式 0.006 Pr 0.03 时， (9-16)式 25传输原理教案(第9章)传热00)()(yxTyTadyvTTdxdssTTTT ,对于Pr/a 1，流体温度T，流速v，只考虑y方向上的导热热量积分方程：(9-18) 温度分布：温度分布： 令00)()(yxTyadyvdxd边界条件：00 ,02222yTyTsTy时0,yyT时32dycybya若令26传输原理教案(第9章)传热得：33223yyTT32123TTyy或(9-20)温度分布式 (2) 边界层厚度边界层厚度将上式代回积分方程，并注意到33223yyvvx及1T得Pr114

12、13)(34)(33TTdxdx27传输原理教案(第9章)传热解之，得Pr11413433)( CxT由边界条件：x = x0 时，T0 （x0 为温度边界层起始位置）得430Pr11413xC434301)(Pr114133xxT23)-(9 33/1Pr11413Pr 1.0261T0 , 0 则若x22)-(9 )(1) 430Pr114133xxT（即28传输原理教案(第9章)传热 (3) 求求h由温度分布式(9-20)，代入换热微分方程，得Txh2325)-(9 3 332. 043)0(1Prxvhxxx2/13/1RePr332. 0 xhNuxxxvaRePr29传输原理教案(

13、第9章)传热平均换热系数30)-(9 Pr 664. 011/30LvdxhLhLx31)-(9 RePr664. 02/13/1hLNu30传输原理教案(第9章)传热强调强调:以上结果条件是 Pr 1 及T Tf，则边界层中流体温度沿着y方向（远离壁面方向）上流体温度Tf 单调递减。（2） a. 壁面处，流体流速为零。b. 在边界层外，由于无温度差，流速度也为零。所以 y 方向有 vx 的极大值。42传输原理教案(第9章)传热（3） 在流动方向上，流速vx不断增加（这与强制流动相反），存在层流向紊流的转度，边界层厚度增加，对流换热因素降低， h 值减小。紊流区，h 值稳定。43传输原理教案(

14、第9章)传热9.6.1 垂直平板层流自然对流换热精确解垂直平板层流自然对流换热精确解 p212A. 基本方程： (连续性方程动量平衡热量平衡)0yvxvyx22)(yvTTgyvvxvvxyyxx22yTayTvxTvyxB. 边界条件： 壁面温度恒定0 , 0 , 0 ,0zyxvvvy时TTy ,时边界层外44传输原理教案(第9章)传热C. Ostrach （奥斯特拉茨）解：4/14/11)4(Pr)Pr861. 0Pr(676. 0 xxGrxh4/14/1)4(Pr)Pr861. 0Pr(676. 0 xxGrNu23xr ,TxgGxhNuxx45传输原理教案(第9章)传热平均换热系数Lh34LxdxhLh014/14/11)4(Pr)Pr861. 0Pr(902. 0GrLLhNu 4/14/1)4(Pr)Pr861. 0Pr(902. 0Gr23r TLgG46传输原理教案(第9章)传热D. 一般情况下，自然对流换热准数方程nGrCNu)(Pr例：垂直平板（圆柱）1/