第5章-对流换热.ppt

1、第5章对流传热，5-1对流传热概述5-2边界层概念和边界层微分方程5-3相似原理和量纲分析5-4相似原理的应用5-5强迫对流传热与内流的实验关联5-6强迫对流传热与外流的实验关联5-7自然对流传热与实验关联，本章要求：关键内容：对流传热及其影响因素；牛顿冷却公式；用解析法求解对流传热问题的实质：边界层概念及其应用：相似原则；无相变热时表面传热系数和传热量的计算：对流传热及其影响因素：用解析法解决对流传热问题的实质，5-1对流传热概述，本节重点介绍对流传热的概念：流体固体壁；2在对流传热中，热传导和对流同时工作；3对流传热的影响因素：h、过程量；4如何确定对流换热系数：牛顿公式只是对流换热系数H

2、的一个定义，并没有揭示H与影响它的各种物理量之间的内在联系。研究对流传热的任务是揭示这种内在联系，确定计算表面传热系数的表达式。对流传热在自然界很普遍，比热传导更复杂。到目前为止，对流传热的研究还不够充分。某些方面仍处于积累实验数据的阶段；对某些方面进行了详细研究，但由于数学上的困难；大多数可用于工程的公式都是经验公式(实验结果)。1.对流传热的定义是指流体流经固体时，流体与固体表面之间的传热现象。对流传热的例子：1)加热管；2)冷却电子设备；3)电风扇，对流传热不同于热对流，热对流既有热对流又有热传导；它不是基本的传热方式，(1)对流传热的特性(2)必须有宏观的流体运动和温差；对流传热既有热

3、对流又有热传导；)流体必须与壁直接接触；2)对流传热的特点，3)对流传热的基本计算公式，牛顿冷却公式：4)表面传热系数(对流传热系数)，当流体与壁面的温差为1度时，单位壁面积和单位时间的传热，如何确定h以及加强传热的措施是对流传热的核心问题。(1)分析法(2)实验法(3)类比法(4)数值法研究对流传热的方法：(5)影响对流传热系数的因素，流体流动的原因，流体有无相变的流动状态，传热表面的几何因素，流体的物理性质，(1)流动原因，自然对流：流动引起的密度差引起的各部分温度不同，强制对流：流动引起的外力(如泵、 风扇和水头，(2)流动状态，(3)流体是否发生相变，(4)换热表面的几何因素：内部流动

4、对流传热：管内或槽内，外部流动对流传热：掠平板、圆管和管束，(5)流体的热物理性质：(1)导热系数：导热系数大，流体内部和流体与壁之间的导热系数小，所以传热强。 水的导热系数比空气高20多倍，所以水的传热系数h比空气高得多。(2)比热容和密度：比热容和密度较高的流体每单位体积携带更多的热量，因此通过对流传热的能量较高。(3)粘度：高粘度阻碍流体的运动，不利于热对流。温度对粘度有很大影响。对于液体，粘度随着温度的升高而降低，但是对于气体。总而言之，表面传热系数是许多因素的函数：因为流体不同部分的温度不相等，所以这些值对流传热：热传导和热对流；由于流动原因不同，对流传热可分为强制对流传热和自然对流

5、传热。粘性流体有层流和湍流两种不同的流动模式，分为层流对流传热和湍流对流传热，根据流体与固体壁面的接触方式，对流传热可分为内部流动传热和外部流动传热；内流对流传热：管或罐内的内流或外流对流传热：扫掠平板、圆管和管束根据流体在传热过程中是否发生相变，可分为单相流体对流传热和相变对流传热。单相传热和相变传热：冷凝、沸腾、升华、凝固、熔化等。6对流传热的分类；7对流传热过程的微分方程。当粘性流体在壁上流动时，它由于粘性而粘在壁上，并处于非滑动状态(即y=0，u=0)。在这种极薄的附壁流体层中，为了使流体沿壁面法线方向的温度变化率为流体的导热系数，H取决于附壁流体的导热系数、温差和温度梯度，将牛顿冷却

6、公式与上述公式相结合，可以得到对流传热过程的微分方程。传热微分方程给出了对流传热壁面热流的计算公式，并确定了对流传热系数与流体温度场的关系。要解决一个对流传热问题并获得该问题的对流传热系数或热流，必须首先获得流场的温度分布。传热系数与流场的温度分布有关，因此它与流速、流型、流动来源、传热表面的几何因素和流体物理性质有关。温度梯度或温度场取决于流体的热物理性质、流动条件(层流或湍流)、速度及其分布、表面粗糙度等。温度场取决于流场，速度场和温度场由对流传热微分方程确定：质量守恒方程，动量守恒方程，能量守恒方程，5-2边界层概念和边界层传热微分方程，1。物理现象当粘性流体在壁上流动时，由于粘性，流体

7、附着在壁上，如果用仪器测量壁的法线方向(Y方向)的速度分布，如上图所示。y=0时，u=0；之后，它会随着增加而增加。穿过薄层后，它接近主流速度。这个薄层被定义为流动边界层(速度边界层)，通常规定(主流速度)处的距离是流动边界层的厚度，其被写成。4。数量级流动的边界层很薄，例如空气，要通过平板，而离开前缘的边界层厚度约为。物理意义在如此薄的层流中，速度梯度非常大。在薄层中，法线方向的平均变化率与空气速度从变为时的变化率一样高。根据牛顿粘性定律，流体的剪切应力与垂直运动方向上的速度梯度成正比，即：方向上的粘性应力；动态粘度。6.穿过平板时边界层的形成和发展。(1)流体以一定速度流入平板前缘后，边界

8、层逐渐增厚，但会保持层流状态，直到一定距离。然而，随着边界层厚度的增加，壁面粘滞力对边界层外缘的影响将不可避免地减弱。从这里，该层流向湍流过渡区(过渡区)，然后达到剧烈的湍流，因此它被称为湍流边界层。(3)湍流边界层包括湍流核心层、缓冲层和层流底层。层流底层存在较大的速度梯度。7。临界雷诺数运动粘度；动态粘度，使用临界雷诺数来区分层流和湍流。对于管道中的流动：层流对湍流v(3)边界层：层流边界层的速度梯度均匀分布在整个层中。在湍流边界层中，仍然有一个很薄的层保持层流，称为层流底层。速度梯度主要集中在层流的底层。(4)在边界层中，粘性力和惯性力具有相同的数量级。流动边界层的出现是由于壁面法向速度

9、的变化。类似地，当流体和壁之间存在温差时，将产生热边界层，如上图所示。在，流体温度等于壁温。当流体流过平板并且平板的温度tw不等于进入流体的温度T时，在壁表面上方形成具有显著温度变化的薄层，这通常被称为热边界层。称为热边界层厚度。在热边界层之外，它可视为等温流动区(主流区)。边界层概念的引入可以简化传热微分方程：量级分析：比较方程中每个量或项的相对量级；保留大量或项目；通过排除那些小数量级的项，这些方程被大大简化了。二维稳态、强制对流、层流、忽略重力等边界层传热微分方程，有五个基本量的数量级：主流速度：温度：壁特征长度：边界层厚度：X等于L，即边界层二维稳态能量方程的数量级可以分析如下：因此，

10、主流方向的二阶导数项可以省略， 从而得到无内热源的二维稳态边界层能量方程，进而得到无内热源的二维稳态边界层传热微分方程组、连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程。 上述方程的定解条件如下：对于平板，通过对上述方程的分析和求解，可以得到局部表面传热系数(层流范围)的表达式。特征数方程或判据方程，必须注意上述判据方程的适用条件：后掠等温平板，无内热源，层流，以及t之间的关系。对于后掠平板的层流：动量方程和能量方程的形式完全一致：这说明动量传递与这种情况下的传热规律相似，特别是对于=a的流体(Pr=1)， 速度场和无量纲温度场将是完全相似的，这是Pr的另一个物理意义：它意味着流动边界层和温度边界层的

11、厚度是相同的，5-3相似原理和量纲分析，以及通过实验得到的对流传热的实用关联式仍然是传热研究中重要而可靠的手段。 然而，对于具有许多影响因素的复杂物理现象，有必要找出许多变量之间的函数关系。例如，实验的数量非常大。为了大大减少实验次数，并得到一些一般性的结果，实验必须在相似性原则的指导下进行。学习相似原理时，应充分理解以下三个问题：实验中应测量哪些量，实验后如何整理实验数据，结果推广应用的条件是什么？1.用相似原理用实验方法解决对流传热问题的思想，(1)物理量的相似性，用形式和内容相同的微分方程描述的现象是相同的现象，只有相同的现象才能讨论。对于类似的现象，同名标准的数量必须相等。相似的现象，

12、相关的物理量场分别相似。在实验中，只需要测量每个特征数中包含的物理量，避免了测量的盲目性，从而解决了实验中测量哪些物理量的问题。(2)相似准则之间的关系，每个特征数之间存在函数关系这解决了如何安排实验数据的问题。(3)区分现象相似的条件，单值条件相似：两个同名现象的相似性是实验关联能够推广应用的条件。(4)相似准则数的获取方法有相似性分析和量纲分析，以及(1)相似性分析：在已知物理现象的数学描述的基础上，在两种现象之间建立一些列。以图5-13中的对流传热为例，现象1:现象2:数学描述：与现象相关的各个物理力场应该分别相似，即相似倍数之间的关系：无量纲量及其关系： 上述公式证明了“同名特征数对应

13、相等”这一物理现象的相似性，同样，它也可以由动量微分方程、能量微分方程得到。 可以得到一个新的无量纲数格拉乔夫数，其中：体积膨胀系数K-1 Gr代表浮力与粘性力之比；(2)量纲分析：量纲分析可以在了解相关物理量的前提下得到无量纲量。基本依据：定理，即表示N个物理量之间关系的方程，具有一致的维数，可以转化为n-r个独立的无量纲物理量之间的关系。r指基本尺寸的数量。优点：方法简单；(b)在不知道微分方程的情况下仍然可以得到无量纲量，(a)确定相关的物理量，(b)确定基本尺寸r，c例：以圆管内单相强制对流传热为例，在国际单位制中有七个基本量：长度m，质量kg，时间s，电流a，温度k，材料量mol，发

14、光强度cd，因此，质量m，温度r=4，n r=3，即应有三个无量纲量。因此，我们必须选择四个基本物理量，与其他量形成三个无量纲量。我们选择u、d、作为基本物理量，(c)形成三个无量纲量，(d)求解待定指标，以1为例，类似地，有：单相和强制对流，类似地，对于其他情况：自然对流传热：混合对流传热：强制对流：Nu待定特征数(含h待解)得到了实用的关联式，解决了实验中如何安排实验数据的问题。5-6相似性原理的应用相似性原理在传热中的一个重要应用是指导实验的安排和实验数据的安排(如前所述)。相似性原理的另一个重要应用是指导建模实验。所谓建模测试是指通过使用不同于物理几何尺度的模型(在大多数情况下，是简化

15、模型)来研究实际设备中的物理过程的测试。1.相似原理的重要应用：2。使用特征方程应注意的问题：(1)特征长度应根据标准公式选择，特征长度：几何长度包含在相似特征数中；例如，管道中的流动和传热：取直径为d的流体在不规则流动截面的通道中流动；以当量直径为特征尺度；(2)应根据标准公式中规定的方式选择定性温度，定性温度是计算流体物理性质时使用的温度。常用的选择方法是：取通道内部流动的入口和出口横截面的平均值，取外部流动的边界层外的流体温度，或除去该温度和壁温的平均值。(3)判据方程不能任意扩展超出方程的实验参数范围，主要包括：数值范围；数字范围；几何参数范围。3常见无量纲(范数)数的物理意义和表达，

16、5-5内部流动中强制对流传热的实验关联，和1。流动边界层的形成和发展。流体进入喷嘴后，边界层开始形成，并随着流动方向逐渐增厚。在稳态下，管中心的速度会随着边界层的增厚而增加。经过一定距离后，管壁两侧的边界层会在管的中心汇聚，厚度等于管半径。同时，管道横截面的速度分布和流动状态均达到标准。这个距离称为流量入口部分。在此之后，流动模式被确定，流动达到完全发展，这被称为流动完全发展部分。其中，层流区：Re10 4，2，传热特性热边界层也有一个进口段和一个充分发展的部分。流动入口部分和热入口部分的长度不一定相等，这取决于Pr。当Pr 1时，流动入口部分比热入口部分短。当Prl时，情况正好相反。在正常壁温下，热入口段长度为0.05毫米；在恒定热流条件下，L/d为0.07.在Pr1的情况下，