电子组装工艺与设备(大二下学期)第三节对流换热

1、第三节 对流换热1基本概念及牛顿公式对流换热： 指流体(气体或液体)与固体表面直接接触时，由于温差引起的相互之间的热能传递过程。导热与对流同时存在的复杂热传递过程；必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差；壁面与流体交界处会形成速度梯度很大的边界层。2边界层 流体沿着壁面流动可分为两个区域： 1）紧靠壁面的薄层，具有较大的流体速度梯度或温度梯度，称为边界层。 2）边界层以外的主流区域，主流速度均匀，主流温度一定，梯度均为零。3速度边界层的特征： 流体速度从0wf，受内摩擦力影响大，具有较大的速度梯度。 层流： 有规则的分层流动 ， 在与壁面垂直的方向上速 度为零，故无对流，热量 的

2、传递主要依靠传导，与 流体的流速无关。 4 紊流：随着流体的流动，边界层厚度增加，过渡到紊流层，由于惯性力的作用，流体运动加剧，在壁面法线方向具有速度，从而具有了较强的对流作用，而在紊流状态下，垂直于壁面的方向上不仅有导热，而且也有热对流，并且就一般流体来说，垂直于管壁方向上的热对流起主导作用。 5热边界层的特征 速度边界层概念推广用于热交换过程，可得到热边界层，也称为温度边界层。 热边界层在沿壁面的法线方向上具有较强的温度梯度，温度变化较大，温度从twtf。6牛顿公式 牛顿公式指出，对流换热量Q和对流换热面积F及温度差t成正比。 Q在单位时间内，壁面面积和流体之间的对 流换热量； t壁面的平

3、均温度和流体的平均温度之差； 沿F的平均对流换热系数。 我们称：1/(F)为对流换热的热阻7影响对流换热系数的因素流体的物性 ：， Cp、：、Cp，流体载热能力，。 ：，边界层的厚度，热阻，。流体的速度 w：w，层流底层厚度，热阻，导热；且流体内相对位移加剧，对流，。壁面的几何尺寸、形状和位置8常用的对流换热准则流体运动相似准则雷诺准则： 表示流体的惯性力与粘滞阻力的比值，用Re可以推测流体的运动状态。Re大说明惯性力大，流态往往呈紊流；Re小说明内摩擦力大，流态往往呈层流。 9葛拉晓夫准则： （gt）是单位质量流体的浮升力，因此Gr准则是表征流体所受浮升力大小对换热影响的准则。Gr大，说明浮

4、升力大，流体自由流动激烈，自然对流换热较强；Gr小，则自然对流换热较弱。因此Gr是研究自然对流换热的重要准则。10热相似准则普兰特准则： （a为导温系数） Pr是由流体重要的物性量组成，是一个表征流体物性对流体内部温度场影响的准则。 Pr大，则表示为粘性大而导温能力弱的流体；Pr小，则表示为粘性小而导温能力强的流体。一般Pr近似是个常数。11努谢尔准则： Nu中既包括了对流换热系数又包含了导热系数，表示边界层的导热热阻与对流换热热阻的比值。由于包含对流换热系数，故称Nu为待定准数。在计算过程中，只要求出Nu准数，即可计算对流换热系数。 12对流换热准则方程各准则Re、Gr、Pr、Nu之间具有以

5、下关系式： F(Nu，Pr，Gr，Re)=0 即 Nu=f(Re，Pr，Gr)自然对流换热中，Gr起主要作用，而Re可忽略不计，则可得： Nu=f(Gr，Pr)受迫对流换热中，一般自然对流很弱，可忽略不计，Gr不必考虑， Re起主要作用，则可得： Nu=f(Re，Pr) 13定性温度和定性尺寸定性温度： 决定准数中物理参数数值大小的温度。 流体与壁面的平均温度；即t=(tw+ tf)/2 固体壁面的温度tw。 流体的平均温度tf。定性尺寸：对流体流动有决定意义的固体壁面与流体相接触的几何尺寸。 流体沿垂直壁自然换热时，取壁的高度。 当流体横向掠过圆柱管时，取圆柱的外径。 当流体纵向掠过圆柱管时，取流动方向管壁 的长度。 14计算方法： a）查各种条件下的准数方程，计算出Nu。 b）利用 ，计算出。 c）利用牛顿冷却定律计算出Q或q。 15无限空间中的自然对流换热 准则方程：Num=C(GrPr