(11)第十章对流换热revised.ppt

1、1,第十章 对流换热,对流换热是流体与所流经的固体表面间的热量传递现象。,学习目的 理解对流换热的影响因素，提出传热强化措施 计算表面换热系数h,2,10-1 概述,1. 牛顿冷却公式, = A h( twtf ),q = h( twtf ),h整个固体表面的平均表面传热系数;,tw固体表面的平均温度;,tf 流体温度，对于外部绕流，tf 取远离壁面的流体主流温度；对于内部流动，tf 取流体的平均温度。,3,2. 对流换热的影响因素,对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同作用的结果，因此，凡是影响流体导热和对流的因素都将对对流换热产生影响。主要有以下五个方面：,(1)流动的起因：影响流

2、体的速度分布与温度分布。,强迫对流换热,自然对流换热,一般的说，自然对流的流速较低，因此自然对流换热通常要比强迫对流换热弱，表面传热系数要小。,4,(2) 流动的状态,层流,湍流,：流速缓慢，流体分层地平行于壁面方向流动，垂直于流动方向上的热量传递主要靠分子扩散（即导热）。,：流体内存在强烈的脉动和旋涡，使各部分流体之间迅速混合，因此湍流对流换热要比层流对流换热强烈，表面传热系数大。,(3) 流体有无相变,沸腾换热,凝结换热,5,(4) 流体的物理性质,1）热导率，W/(mK)， 愈大，流体导热热阻愈小，对流换热愈强烈；,2）密度，kg/m3,3）比热容c，J/(kgK)。 c反映单位体积流体

3、热容量的大小，其数值愈大，通过对流所转移的热量愈多，对流换热愈强烈；,4）动力粘度，Pas；运动粘度/，m2/s。流体的粘度影响速度分布与流态，因此影响对流换热；,6,5）体胀系数V，K1。,对于理想气体，pv=RT，代入上式，可得V =1/T。,定性温度,体胀系数影响重力场中的流体因密度差而产生的浮升力的大小，因此影响自然对流换热。,对于同一种不可压缩牛顿流体，其物性参数的数值主要随温度而变化。用来确定物性参数数值的温度。称为定性温度。在分析计算对流换热时，定性温度的取法取决于对流换热的类型。,V,7,(5) 换热表面的几何因素,换热表面的几何形状、尺寸、相对位置以及表面粗糙度等几何因素将影

4、响流体的流动状态，因此影响流体的速度分布和温度分布，对对流换热产生影响。,影响对流换热的因素很多，表面传热系数是很多变量的函数，,8,3. 对流换热的主要研究方法,分析法 只能解决简单问题,数值法 计算传热学 不讲,试验法 大量实验相似理论准则关系式,比拟法 不符合现代发展趋势,理论分析、数值计算和实验研究相结合是目前被广泛采用的解决复杂对流换热问题的主要研究方式。,9,10-2 对流换热的数学描述,1. 对流换热微分方程组及其单值性条件,（1）对流换热微分方程,假设：,(a) 流体为连续性介质。当流体的分子平均自由行程 与换热壁面的特征长度l相比非常小，一般克努森数 时，流体可近似为连续性介

5、质。,10,(b) 流体的物性参数为常数，不随温度变化。,(c) 流体为不可压缩性流体。通常流速低于四分之一声速的流体可以近似为不可压缩性流体。,(d) 流体为牛顿流体，即切向应力与应变之间的关系为线性，遵循牛顿公式 ：,(e) 流体无内热源，忽略粘性耗散产生的耗散热。,(f) 二维对流换热。,紧靠壁面处流体静止，热量传递只能靠导热，,11,按照牛顿冷却公式,如果热流密度、表面传热系数、温度梯度及温差都取整个壁面的平均值，则有,上面两式建立了对流换热表面传热系数与温度场之间的关系。而流体的温度场又和速度场密切相关，所以对流换热的数学模型应该是包括描写速度场和温度场的微分方程。,12,1）连续性

6、微分方程（质量守恒）,2）动量微分方程（动量守恒）,x方向:,y方向:,惯性力,粘性力,纳维埃(N. Navier)-斯托克斯(G. G. Stokes)方程,13,3）能量微分方程（能量守恒）,单位时间由导热进入微元体的净热量和由对流进入微元体的净热量之和等于微元体热力学能的增加，,常物性、无内热源、不可压缩牛顿流体对流换热的能量微分方程式 。,若u=v=0,导热微分方程式,导热微分方程式实质上就是内部无宏观运动物体的能量微分方程式 。,14,常物性、无内热源、不可压缩牛顿流体二维对流换热微分方程组 ：,4个微分方程含有4个未知量(u、v、p、t)，方程组封闭。原则上，方程组对于满足上述假定

7、条件的对流换热（强迫、自然、层流、湍流换热）都适用。,15,对流换热微分方程组和单值性条件构成了对一个具体对流换热过程的完整的数学描述。但由于这些微分方程非常复杂，尤其是动量微分方程的高度非线性，使方程组的分析求解非常困难。,1904年，德国科学家普朗特(L. Prandtl)在大量实验观察的基础上提出了著名的边界层概念，使微分方程组得以简化，使其分析求解成为可能。,16,2. 边界层理论与对流换热微分方程组的简化,(1) 边界层概念,1) 流动边界层,速度发生明显变化的流体薄层。,流动边界层厚度 :,流场的划分:,主流区：y,边界层区:,理想流体,速度梯度存在于粘性力的作用区。,边界层的流态

8、：,层流边界层、过渡区、湍流边界层,17,2) 热边界层（温度边界层）,边界层从层流开始向湍流过渡的距离。其大小取决于流体的物性、固体壁面的粗糙度等几何因素以及来流的稳定度，由实验确定的临界雷诺数Rec给定。,临界距离xc ：,对于流体外掠平板的流动,一般情况下，取,温度变化较大的流体层,热边界层厚度t :,边界层的传热特性：,在层流边界层内垂直于壁面方向上的热量传递主要依靠导热。湍流边界层的主要热阻为层流底层的导热热阻。,18,局部表面传热系数的变化趋势：,流动边界层厚度 与热边界层厚度t的比较 ：,两种边界层厚度的相对大小取决于流体运动粘度 与热扩散率a的相对大小。令,普朗特数,对于层流边

9、界层:Pr1,；Pr1,一般液体:Pr=0.64000；气体：Pr=0.60.8。,对于湍流边界层:,19,综上所述，边界层具有以下特征：,(a),(b) 流场划分为边界层区和主流区。流动边界层内存在较大的速度梯度，是发生动量扩散（即粘性力作用）的主要区域。主流区的流体可近似为理想流体；热边界层内存在较大的温度梯度，是发生热量扩散的主要区域，热边界层之外温度梯度可以忽略；,(c) 根据流动状态，边界层分为层流边界层和湍流边界层。湍流边界层分为层流底层、缓冲层与湍流核心三层结构。层流底层内的速度梯度和温度梯度远大于湍流核心；,(d) 在层流边界层与层流底层内，垂直于壁面方向上的热量传递主要靠导热

10、。湍流边界层的主要热阻在层流底层。,20,(2) 对流换热微分方程组的简化,简化方法：根据边界层的特点，分析对流换热微分方程中各项的数量级，忽略高阶小量。,对于体积力可以忽略的稳态强迫对流换热,比较x 和y方向的动量微分方程,21,对流换热微分方程组简化为,22,简化后的方程组只有3个方程，但含有4个未知量，方程组不封闭。由于忽略了y方向的压力变化，使边界层内压力沿x方向变化与主流区相同，可由主流区理想流体的伯努利方程确定 ：,23,10-3 外掠等壁温平板层流换热分析解简介,1. 对流换热特征数关联式,特征数是由一些物理量组成的量纲一（无量纲）的数。对流换热的解可以表示成特征数函数的形式，称

11、为特征数关联式。,通过对流换热微分方程的无量纲化可以导出与对流换热有关的特征数。,24,Nu称为平均努塞尔数，等于壁面法线方向上的平均无量纲温度梯度，大小反映平均对流换热的强弱。,引进下列无量纲变量：,对流换热表面传热系数与温度场之间的关系式,25,对于常物性、无内热源、不可压缩牛顿流体平行外纵掠平板稳态对流换热，微分方程组为,无量纲化,式中,称为雷诺数。,由无量纲方程组可以看出：,再由,Nu 待定特征数,Re、Pr已定特征数,26,作业,307页 思考题 4 何谓 流动边界层和热边界层，它们的厚度是如何规定的？ 13 表面上看Bi数和Nu数的表达式相同，其差别是什么？,27,2 外掠平板层流

12、换热分析结果,可见，流体平行外掠平板强迫对流换热的解可以表示成式特征数关联式的形式，即,特征数关联式中变量个数大为减少，更突出地反映相关物理量之间的依赖关系及其对对流换热的综合影响。,对比,对于常物性、无内热源、不可压缩牛顿流体纵掠等壁温平板层流换热：,(1) 速度场,1) 流动边界层厚度,28,(2) 温度场,2) 摩擦系数,由速度分布求出局部粘性切应力,为局部摩擦系数。,平均摩擦系数：,1) 热边界层厚度,对于Pr=0.615的流体，,29,2) 特征数关联式,对于Pr0.6的流体掠过等壁温平板层流换热,Nux是以x为特征长度的局部努塞尔数,平均表面传热系数h 为,平均努塞尔数:,注意：上

13、述关系式仅适用于Pr0.6的流体外掠等壁温平板层流换热，定性温度为边界层的算术平均温度,30,对于Pr0.6的流体掠过等热流平板的层流换热，局部努塞尔数为,当Rex、Pr相同时，常热流情况下的局部努塞尔数要比等壁温情况大36%左右。,对比,在常热流情况下， ，tw是变化的， 。,平均温差定义为,平均努塞尔数:,偏差2.4,31,101 102,作业：,例题 10-1,32,10-4 对流换热的实验研究方法,相似原理指导下的实验研究仍然是解决复杂对流换热问题的可靠方法。 这里对相似原理略 注意的是：实验结果给出的方程是准则方程式，而且通常是幂函数的形式,33,对流换热常用准则数及其物理意义,雷诺

14、数。 它表示惯性力和粘性力的 相对大小 普朗特数 表示动量扩散能力与能量 扩散能力的相当大小 努塞尔数 等于壁面法线方向上的 平均无量纲温度梯度，大小 反映平均对流换热的强弱。,34,对于工程上常见的无相变单相流体强迫对流换热，其特征数关联式一般写成幂函数的形式：,式中，C、n及m为待定常数，由实验确定。,对于气体的强迫对流换热， Pr基本上等于常数，,(a) 特征长度l和定性温度的选择；,(b) 流速u的测量；,(c) 表面传热系数h的测量：,需要解决以下几个问题：,35,对于一般流体的强迫对流换热特征数关联式,m的数值通常直接采用前人通过理论分析或实验研究获得的数据。例如：对于层流，取m=

15、1/3；对于湍流，取m=0.4或其它数值。 C和n的数值用同一种流体在不同的Re下进行实验确定。,（2）特征数关联式的适用范围,从一个物理现象所获得的特征数关联式适用于与其相似的所有物理现象。,由于单相流体强迫对流换热特征数关联式是在一定的Re、Pr变化范围内通过实验获得的，并且关系式中的常数大小还与特征长度、定性温度的选择有关，所以每一个对流换热特征数关联式只适用于一定的Re、Pr范围及确定的特征长度与定性温度。,36,10-5 单相流体对流换热特征数关联式,重点介绍以下2种典型的单相流体对流换热过程及其特征数关联式：,（1）管内强迫对流换热；,（2）外掠壁面强迫对流换热；,熟悉它们的特点及

16、影响因素，并且掌握利用特征数关联式进行对流换热计算的方法。,37,1. 管内强迫对流换热,(1) 管内强迫对流换热的特点及影响因素,1) 流态,对于工业和日常生活中常用的光滑管道,层流,（um 为平均流速）,层流到湍流的过渡阶段,旺盛湍流,38,2) 进口段与充分发展段,a. 流动进口段与充分发展段,对于管内等温层流，流动充分发展段具有以下特征：,(a) 沿轴向的速度不变，其它方向的速度为零；,(b) 圆管横截面上的速度分布为抛物线形分布；,(c) 沿流动方向的压力梯度不变，阻力系数f 为常数,l管长；d管内径,39,b. 热进口段与热充分发展段,热充分发展段的特征：,分别为管壁温度与流体截面

17、平均温度。,在壁面处，,常数（不随x变化）,对于常物性流体，由上式可得 常数。这一结论对于等壁温和常热流边界条件都适用,40,热进口段的局部表面传热系数的变化,进口段边界层沿x方向由薄变厚，hx由小变大，对流换热逐渐减弱。,对于管内层流，,热进口段：,流动进口段：,进口段长度：,由于进口段的局部表面传热系数较大，所以对于短管内的对流换热，需要考虑进口段的影响。对于管内湍流换热，只要 l/d 60，就可忽略进口段的影响。,41,3) 对流换热过程中管壁及管内流体温度的变化,一般情况下，管壁温度和流体温度都沿流动方向发生变化，变化规律与边界条件有关。,常热流边界条件：,qx常数，流体截面平均温度t

18、m沿流动方向线性变化。,根据,热进口段：,热充分发展段： hx常数，tx 常数，壁面温度tw和tm都沿流动方向线性变化。,42,等壁温边界条件：tw=常数,分析结果表明，温差tx沿x方向按指数函数规律变化，tm也按同样的指数函数规律变化。,无论对于常热流还是等壁温边界条件，全管的平均换热温差可按对数平均温差计算，,如果进口温差与出口温差相差不大， ，,结果与上式偏差小于4% 。,43,4)物性场不均匀的影响,换热时流体温度场不均匀，会引起物性场的不均匀。其中粘度随温度的变化最大。粘度场的不均匀会影响速度场，因此影响对流换热。,44,5)管道弯曲的影响,管道弯曲，离心力的作用会在流体内产生二次环

19、流，增加了扰动，使对流换热得到强化。弯管的曲率半径越小，流速越大，二次环流的影响越大。,上述影响因素在进行管内对流换热计算时需要加以考虑。,45,(2)管内强迫对流换热特征数关联式,1) 层流换热,常物性流体在光滑管道内充分发展的层流换热的理论分析结果(没考虑自然对流影响)：,46,常物性流体管内充分发展的层流换热具有以下特点：,(a) Nu的数值为常数，大小与Re无关；,(b) 对于同一种截面的管道，常热流边界条件下的Nu比等壁温边界条件高20%左右。,对于长管，可以利用表中的数值进行计算。对于短管，进口段的影响不能忽略，可用下式计算等壁温管内层流换热的平均努塞尔数：,适用条件：,下角标f表

20、示定性温度为流体的平均温度tf,上式没考虑自然对流影响。,47,2) 湍流换热,对于流体与管壁温度相差不大的情况（气体：t50；水: t30；油: t10）,适用条件：,对于流体与管壁温度相差较大的情况,适用条件：,以上两个公式对常热流和等壁温边界条件都适用，可用于一般光滑管道内强迫对流换热的工程计算。实验数据的偏差较大，达25% 。,48,格尼林斯基(Gnilinski)公式（1976）,适用条件：,阻力系数：,物性场不均匀的修正系数 ：,气体,液体,将格尼林斯基公式分别用于气体和液体，可以得到下面进一步简化的公式：,49,格尼林斯基公式：,气体,液体,适用条件：,适用条件：,格尼林斯基公式

21、不仅适用于旺盛湍流换热，也适用于从层流到湍流之间的过渡流换热。,50,2. 外掠壁面强迫对流换热,对于工业上常用的铸造管以及为强化传热加工的内螺纹管等，其湍流对流换热要比一般光滑管道强，通常采用动量传递与热量传递类比关系式进行计算：,斯坦顿数,阻力系数f 数值可查阅有关工程手册或流体力学文献。,分别介绍工程上常见的流体外掠平板、横掠单管与管束的对流换热。,(1) 外掠平板,对于层流换热，理论分析和实验结果非常吻合，可直接采用前面理论分析所得的特征数关联式进行计算。,1) 层流换热,51,等壁温平板的层流换热：,常热流平板的层流换热：,适用条件：,从平板前沿(x=0)就开始换热。,2) 湍流换热,等壁温平板：,常热流平板：,适用条件：,常热流平板湍流边界层内的局部努塞尔数比等壁温情况高约4% 。,52,对于由层流边界层过渡到湍流边界层的整个平板，平均表面传热系数可按层流段和湍流段分别积分平均,对于等壁温平板,适用条件：,注意：,对于流体外掠平板的强迫对流换热，牛顿冷却公式 中的tf为边界层