传热学 第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)

1、4.1、概述工程应用背景 对流换热：4.1、概述请千万小心，步步都是富贵险中求。殊不知多少江湖英豪；名门侠女都曾栽在这块看似山青湖静，实则风阴涛涌的领域！摘自一网友的言论（作者：Eric Cho/橘皮书） 数值计算实验研究理论分析h求h主要有以下基本途径： 4.1、概述基本定律：质量守恒、能量守恒及牛顿力学定律本章主要用的基本假设及基本定律：换热方程对流传热无相变有相变混合对流强制对流自然对流内部对流外部对流圆管内强制对流传热其他形状截面管道内的对流传热外掠平板的对流传热外掠单根圆管的对流传热外掠圆管管束的对流传热外掠其他截面形状柱体的对流传热射流冲击传热大空间自然对流有限空间自然对流沸腾传热

2、凝结传热大容器沸腾管内沸腾管外凝结管内凝结对流传热的分类树2 对流传热现象的分类影响对流换热的基本因素：自然对流(Natural Convection)强迫对流(Forced Convection)b 流动状态 层流(Laminar Flow) 紊流(Turbulent Flow) c 流体有无相变(Phase Change) 凝结换热(Condensation Heat Transfer) 沸腾换热(Boiling Heat Transfer) h影响对流换热的基本因素：影响对流换热的基本因素：影响对流换热的基本因素：所依据的定律：质量守恒定律、动量定律、能量守恒定律和傅立叶定律一、速度边界

3、层在边界层内速度变化比较剧烈，会产生较大的粘性切应力 对于外掠平板当雷诺数 层流转变为紊流。 速度边界层的发展对于管内流动当雷诺数 层流转变为紊流。 速度边界层的发展边界层要点：当粘性流体流过固体表面时，可以将流动划为边界层区和主流区。边界层的厚度与壁面尺度相比是一个非常小量。在边界层内流动状态分为层流和紊流，而紊流边界层内紧靠壁面 处仍有极薄的一层保持层流流动，称为层流底层。当流动发生脱体时，边界层的概念不再适用。由量级分析可以对微分方程组进行简化。在边界层内，各物理量的的变化范围：温度t：坐标x：0L主流速度u：0坐标y：0（ ）因此，可以用代表上述各物理量的量级。由量级分析可以对微分方程

4、组进行简化。常物性、不可压、稳态二维平板的边界层微分方方组为： 推论：边界层内任意一点的y方向 速度远小于x方向的速度。 y方向上的动量方程与x向 比较可以忽略。 边界层内沿表面法向无压 力梯度，即 。边界 层内的压力就等于边界层 外的主流压力。 在温度边界层中，沿x方向 的导热可以忽略。 由量级分析可以对微分方程组进行简化。常物性、不可压、稳态二维平板的边界层微分方方组为： 对于外掠平板，1908年Blasius给出了速度分布的解，1921年Pohlhausen给出了换热系数的解：理论分析面临的困难： 目前的数学还不能求解任意对流换热问题。我们将进行实验研究实验研究中需要解决哪些理论问题？为

5、确定上述关系，设每个变量进行6次实验，共需6646656次实验，每次实验1小时，共需46656个小时，每天工作10小时，共13年！还有其他设备尺寸等等一系列问题对流换热微分方程组理论分析实验研究边界层理论边界层外边界层内伯努力方程边界层内微分方程组量级分析实验次数多实验模型建立和实验结果推广问题量纲分析相似理论Blasius解贝克力Peclet数定义：在几何相似的条件下，如果两个同类物理现象相似，那么 在时间和空间的所有对应点上，与物理现象有关的各同名 物理量之间具有各自相同的比例。同类物理现象具有相同的物理内容，并能用同一微分方 程描述的物理现象。如果两个物理现象的 微分方程的形式一样，但物

6、理内容不同， 就不是同类物理现象。说明：2、物理现象相似 说明：定义：在几何相似的条件下，如果两个同类物理现象相似，那么 在时间和空间的所有对应点上，与物理现象有关的各同名 物理量之间具有各自相同的比例。说明：2、物理现象相似 时间对应点是指从起始时刻起，具有 的瞬时，不是从起始时刻起具有相同时间的点。空间对应点是指具有 点。显然只有几何 相似的体系才具有空间对应点，它是物理现 象相似的前提 说明：定义：在几何相似的条件下，如果两个同类物理现象相似，那么 在时间和空间的所有对应点上，与物理现象有关的各同名 物理量之间具有各自相同的比例。说明：2、物理现象相似 同名物理量是指物理意义和名称都相同

7、的物理量。说明：定义：在几何相似的条件下，如果两个同类物理现象相似，那么 在时间和空间的所有对应点上，与物理现象有关的各同名 物理量之间具有各自相同的比例。说明：2、物理现象相似 各物理量具有各自相同的比例是指与现象有关的全部物理量具有各自相同的比例，不要求所有物理量具有同一比例。如： 但是各物理量的相似比例之间存在着由描写该现象的微分方程所规定的制约关系，它们的比例不能任意选取。 说明：定义：在几何相似的条件下，如果两个同类物理现象相似，那么 在时间和空间的所有对应点上，与物理现象有关的各同名 物理量之间具有各自相同的比例。说明：2、物理现象相似 准则数即无量纲数，如_对于管内流动h的定义为

8、 或（或截面平均温度）注意：经验关系式不能任意推广到该公式的实验(应用)范围以外。环型管包含了入口段的影响（旺盛紊流） 流动结构换热特性平均努赛尔特数定性温度：从换热角度讲，叉排要好于顺排。解：分析：要确定管子的长度，想一想，哪个公式中包含与管长有关的变量。显然 是牛顿冷却公式。另一方面从热平衡角度看： 流量和进出口温度已经确 定，单位时间空气的吸热量也可以计算，在没有热损失的情况下，它应 等于对流传热热流。即：换热热流： 分析：本题也是求管长，与上一题有什么区别？ 单位时间水的吸热量可以确定，它应等于管子的加热量。解：L可以求出。以下求解基本与上一题相似，注意：不考虑进出口影响时，管内的对流

9、换热系数为一常数。例2：有一根厚壁不锈钢管，内径为d=20mm，外径D=40mm。通过通电对钢管进行加热，提供一个均匀的热生成率的 内热源。管子外表面绝热。管内有水流过，水的流量为 。假定水的进口温度为20，出口温度为40，求管长。最高的管壁温度在何处，为多少？ 层流时动量传递依靠的是分子粘性扩散；热量传递依靠的是分子的热扩散。它们都是在一定的势差(速度差或温度差)下进行的。因此，两者具有一定的类比性。1工程上阻力系数的数据比较丰富，是否可以用阻力系数来推算对流换热系数？(本节的中心目的)2一、基本思想： 适用条件：Pr=1三、雷诺比拟雷诺(最初对紊流而言)认为：跑到壁面上的流体微团把动量交给

10、了壁面同时该微团也实现了与壁面的热交换，单位时间放出热量THOMAS EDWARD STANTONBritish engineer1865-1931 四、柯尔朋比拟（Pr1）对于管内流动，阻力系数 f 的定义为： 则ALLAN PHILIP COLBURNAmerican Engineer1904-1955 1、一热水淋浴器中水以一定的质量流量在直径为15mm的管内流过，水的入口温度为t=20。已知水在管内的流动状态已经为充分发展的紊流，通过实验测得管内流动的摩擦阻力系数f=0.0288。若管子内壁温恒定为60时，要求出水温度t”=37，求管子的长度。已知水的普朗特数Pr=5.45。4.10

11、自然对流换热一、概述流动发生的原因：换热时由于流体的温度发生了变化，流体的密度也随之变化，使流体中质量力(彻体力)分布不均匀，产生了浮升力，导致流体流动。例子：12质量力：在重力场中用 来考虑 在离心力场中用 来考虑自然对流换热固体壁面附近的流体在浮升力作用下而产生的 流动与换热。4.10 自然对流换热一、概述应用(1)、室内暖气的散热；(2)、电子设备的冷却；(3)、发动机的涡轮盘腔及叶片内冷通道中的流动与换热；(4)、烟囱、锅炉的水循环4.10 自然对流换热一、概述应用Benard流动。参考文献：1、【英】彼得柯文尼著 ，时间之箭揭开时间最大奥秘之科学里程，湖南科学技术出版社，19952、

12、关键词： Benard流动 Benard Flow4.10 自然对流换热一、概述应用现代“巴比伦通天塔”， 简单地说这项工程是一个规模极为庞大的太阳能风力发电站。它的工作原理也很简单对流原理，即热空气向上升，冷空气下降而那座高达1000米的“太阳塔”的作用则和一根烟囱的作用类似。在这根“大烟囱”的底端，是一个直径达7000米的集热器（如右图），太阳对这个圆盘形状的集热器中的空气加热，然后，温度将达到65的热空气从四面八方向集热器中部的“太阳塔”汇集，形成了一个巨大的温室。接着，由于对流效应，热气流沿着“太阳塔”这根“大烟囱”以35英里每小时的高速度继续向上升，推动“烟囱”内部特别设计的涡轮，并

13、产生电力。 据英国媒体2002年9月7日披露，澳大利亚政府日决定全力支持“大型环保能源工程”的建设造一座高达1000米的“太阳塔”，这一高度将是世界上目前最高的建筑加拿大国家铁塔CN塔的近2倍！ 。 ytxtw4.10 自然对流换热二、流动与换热特征ttwuytydd以大空间内竖直平板为例，平板的温度为tw，远离壁面 的流体温度为t。假设tw t观察实验4.10 自然对流换热二、流动与换热特征hx三、自然对流换热 发生的条件有温差；有力场；足够的空间；热面的位置。twyxt以大空间内竖直平板为例，平板的温度为tw，远离壁面的流体温度为t。假设tw t4.10 自然对流换热四、这是为什么？4.1

14、0 自然对流换热五、自然对流换热微分方程组对流换热边界层微分方程组twtygx4.10 自然对流换热五、自然对流换热微分方程组对流换热边界层微分方程组两点注意：1、描述流体流动与换热的微分方程组是唯一的，对不同的问题它的表现形式可能不一样。2、a 的计算及量纲。4.10 自然对流换热六、对流换热微分方程组的无因次化温度选取过余温度=(tw-t)长度选取板长L速度选取/L为Grashof数，反映了在重力场中浮升力对自然对流换热的影响特征物理量的选取：FRANZ GRASHOF1826-1893German engineer4.10 自然对流换热六、对流换热微分方程组的无因次化温度选取过余温度=(

15、tw-t)长度选取板长L速度选取/L为Grashof数，反映了在重力场中浮升力对自然对流换热的影响方程的解为 当空间比较大时，平均努赛尔特数可表示为：Ra为Rayleigh数。对于不同的换热表面，不同的流态C和n不同。（教科书）特征物理量的选取：LORD RAYLEIGH1842-1919British physicistHe was awarded the Nobel Prize for physics in 1904 for his discovery (1894) of the inert elementary gas Argon. His research almost covered

16、 the entire field of physics.4.10 自然对流换热七、几点注意 由于自然对流中没有参考速度，所以换热公式中就没有强迫对 流中的Re，这里Gr相当于Re。经验公式中的定性温度为 膜温度。定性尺度：不同的情况有不同的尺度。流态由Ra数判断： 为紊流，否则为层流。对于有限空间的自然对流，流体的上升与下沉将受到空间的限制，换热计算时不能使用大空间对流换热经验关系式，请查相应的资料。4.10 自然对流换热七、几点注意自然对流湍流换热的自模化问题。对恒热流的自然对流，tw不知道，可将Grashof数改写成：对于竖壁和圆柱体：层流：适用范围紊流：适用范围在强迫对流换热中，当 时

17、需要考虑自然对流的影响。4.10 自然对流换热例题：一个计算机芯片，其尺寸为3cm3cm，发热量 为1W，试确定其表面温度。设机箱内的空气温 度为30 ，芯片垂直于地面放置，芯片附近无 空气的强迫流动。分析：4.10 自然对流换热复习： 质量力或彻体力是指作用在流体每一质点上的力，它的大小与流体的质量成正比，它一般有两种，其一为重力；其二为惯性力，它是由流体作直线加速运动或曲线运动所引起的。 通常质量力用单位质量流体所承受的质量力来衡量质量力的大小。4.10 自然对流换热五、这是为什么？4.10 自然对流换热4.10 自然对流换热4.10 自然对流换热一、概述低速气流换热特点 由于速度不是很高

18、，滞止后的温度不是很高，同时粘性耗散的影响很小，物性参数按常物性处理不会有较大的误差，理论上，动量方程和能量方程可以单独求解(自然对流换热除外)。高速气流换热特点 1、流体被 压缩，压力和 的变化将引起其它物性参数的变化。滞止温度 2、边界层内粘性耗散引起温度的升高及由此引起的物性参数变化。4.11 高速气流换热(Pr1)二、高速气流的绝热边界层(Pr1)边界层内流动与换热情况：1、由于粘性的作用，流体要消耗本身的动能，并将其变为热能，使得边界层内的流体温度提高；2、由于导热的作用，必然有热量向边界层外传递。4.11 高速气流换热(Pr1)二、高速气流的绝热边界层(Pr1)边界层内流动与换热情况：第十节 高速气流换热(Pr1)3、边界层内