5.对流传热理论基础2015简化版.pptx

1、传热学 Heat transfer,对流换热(Convection heat transfer),第五章 对流换热的理论基础,5.1 对流换热概述 5.2 换热过程的数学描写 5.3 边界层理论 5.4 外掠平板传热层流分析解,5.1 对流换热概述,流体与固体壁面间存在相对运动，且两者之间存在温度差时所发生的热量传递现象。,定义,基本计算式,或,【1】流体与壁面间热量传递通过壁面上的流体沿壁面法线方 向导热而实现。,对流换热特征,【2】在垂直于壁面的方向上,y,y,流体速度从壁面上的零速度值逐步变化到来流的速度值；,流体温度逐步从壁面温度变化到来流温度。,以传导方式进入元体的热流量,以对流方式

2、进入元体的热流量,【3】对流换热过程受到对流作用与扩散作用双重控制。,5.1.2 影响对流换热的因素,流动起因,流动状态,换热表面的几何因素,流体有无相变,流体物理性质,密度、动力粘度、导热系数、定压比热容cp等,5.1.3 对流换热系数方程,qcond,qconv,对流换热系数,*对流换热研究最终归结于确定h的研究。,流体温度变化率,5.1.3 对流换热的分类,对流换热,内部流动,外部流动,圆管内,非圆管内,外掠平板,外掠单管,外掠管束,夹层空间,大空间沸腾,管内沸腾,（1）分析法 （2）实验法 （3）比拟法 （4）数值法,5.1.3 对流换热的研究方法,5.2 换热过程的数学描写,【1】二

3、维连续流动； 【2】不可压缩的牛顿型流体； 【3】常物性参数，无内热源； 【4】忽略粘性耗散热,前提假设,求解参数,u、v； t； p；h,控制方程,【1】连续性方程 【2】动量方程 【3】能量方程,对流换热系数方程,单值性条件,理论核心：质量守恒（mass balance）。,5.2.1 连续性方程,流入微元体的净质量流量 = 微元体内流体质量随时间的变化率,dx,dy,x,y,连续性方程,引申思考：二维、稳定、常物性流场连续性方程？,理论核心 能量守恒,净导热量+热对流传递的净热量=系统总能量的增量,5.2.2 能量微分方程,假设： （1）忽略机械能变化； （2）流体不作功；,非稳态项,热

4、对流项,热扩散项,当流体不流动时,固体中的热传导过程是介质中传热过程的一个特例。,讨论,稳态对流换热,5.2.3 动量微分方程（N-S方程）,牛顿第二运动定律： 作用在微元体上各外力的总和=控制体中流体动量的变化率,理论核心动量守恒,作用力 = 质量 加速度（F=ma）,在x方向上,惯性力项,体积力项,压力项,粘性力项,在y方向上,还可以写做,对于稳态流动,只有重力场时,5.2.4 对流换热完整数学表述,二维、常物性、无内热源、不可压缩、无耗散、牛顿流体,控制方程,对流换热系数方程,单值性条件,引申思考：对对流换热而言，最关心的流场区域是哪个区域？,第一类边界条件：,第二类边界条件：,几何条件

5、、物理条件、初始条件、边界条件,速度、压力、传热,近壁面区,5.3 边界层理论,y,y,u,t,twt,速度边界层,q,热边界层,5.3.1 边界层概述,垂直于壁面的方向上流速发生显著变化的流体薄层。,u,y,x,(x),u=0.99u,外掠平板,边界层流动区,主流区,速度边界层（Velocity boundary layer）,温度边界层（ Thermal boundary layer ）,垂直于壁面的方向上温度发生显著变化的流体薄层。,t,y,x,t,t(x),外掠平板,热边界层区,twt,u,t,y,x,twt,速度边界层与温度边界层的关系,外掠平板层流流动,表征动量扩散特性,表征热量扩

6、散特性,边界层内流动状态,u,外掠平板,流动边界层区,层流,过渡流,旺盛湍流,xc,u,黏性底层,过渡层,湍流区,边界层特点,1 (x)x; t(x)x,2沿壁面法线方向速度和温度变化剧烈。,引申思考：引入边界层理论的意义？,缩小计算区域； 利用边界层的特点简化数学模型。,【例】如下对流换热情况下，边界层如何发展和界定？,5.3.2 边界层对流换热微分方程组,数量级分析（order of magnitude ）原理：比较方程中各量或各项的量级的相对大小；保留量级较大的量或项；舍去那些量级小的项，以实现方程合理简化。,物理量的数量级,研究对象：流体外掠物体运动 （二维、常物性、无内热源、不可压缩

7、、无耗散、牛顿流体）,边界层内数量级分析,稳态,考虑数量级,忽略体积力,边界层控制方程的简化,边界层对流换热微分方程组,边界层类型问题核心特点：主流方向上的二阶导数可忽略。,控制方程,伯努利方程微分式,对流换热系数方程,【例】利用数量级分析方法，对流体外掠平板层流流动，从动量微分方程导出边界层厚度变换关系式,【问题分析】,数量级关系,连续性方程：,动量方程：,未确定,假设条件 二维、稳态、常物性、不可压缩、不计重力、无内热源、无粘性耗散、牛顿流体的外掠等温平板强制换热,5.4 强迫流动层流分析解,Re5105,控制方程 边界条件 对流换热系数方程,边界层内,动量方程,能量方程,对流项,扩散项,离开前缘x处的边界层厚度 速度与温度边界层厚度之比 对流换热系数 对流传热准则方程,分析解,公式汇总参见P220 表5-2,对流传热根本任务：准则方程的获得,例题,两无限大平行平板，问题描