热量学charpter5对流换热.ppt

1、第五章 对流换热 convection heat transfer,对流换热:流体流过固体壁面情况下所发生的热量交换.,对流换热以牛顿冷却公式为其基本计算式,既,或对于面积为A的接触面,其中t 为换热面积A上的平均温差.约定q 及 总是取正值,因此t及tm也总是取正值.,5-1 对流换热概说,一.对流换热的分类,1.按动力分,强制对流(forced convection):由于泵,风机,或压差等流体本身以外的动力产生的流动换热.,自然对流(natural convection):由于流体的密度差产生的浮力作用产生的流体流动换热.,2.按有无相变分,单相介质传热:对流换热时只有一种流体.,相变换

2、热:传热过程中有相变发生.,物质有三态,固态,液态,气态或称三相.,相变换热有分为:,沸腾换热:(boiling heat transfer)物质由液态变为气态时发生的换热.,混合对流(mixed convection):自然对流和强制流动换热并存.,凝结换热:(condensation heat transfer)物质由气态变为液态时发生的换热.,熔化换热(melting heat transfer) 凝固换热(solidification heat transfer) 升华换热(sublimation heat transfer) 凝华换热（sublimation heat transfe

3、r ）,3.按流动形式分,层流流动换热(laminar heat transfer) 湍流流动换热(turbulent heat transfer),4.按几何形状,管内(槽道内)流动(flow in ducts ) 外部绕流(around vertical plant),对流换热的分类表,二、对流传热的基本公式化 ( h 的确定方式),无滑移边界条件,令上两式相等则有,则,5-2 对流换热问题的数学描写,一、假设条件 为简化分析,对于影响常见对流换热问题的主要因素,做如下假设(1)流动是二维的;(2)流体为不可压缩的牛顿行流体;(3)流体物性为常数,无内热源;(4)流速不高,忽略粘性耗散(摩

4、擦损失) ;(5)二维,二、能量方程的推导.,利用热力学第一定律有 导入的净热量+流入的净热量=系统内的焓增 在x方向上导入的净热量有,在y方向上导入的净热量,在x方向上流入的净热量,略去高次项后得,代入热力学第一定理得,单位时间内的微元控制体内的焓增,同理得Y方向上的净热量,三.对流换热微分方程组. 1.连续性方程(continuity equation),2.动量方程(momentum equation),惯性力(inertial force),体积力 (body force),压力梯度 (pressure gradient),粘性力 (viscous force),3.能量守恒方程 （e

5、nergy equation),能量变化,对流项,导热项,4.换热微分方程,未知量：u, v, p, t, h 方程： 五个 方程组是封闭的,可求解 实际的变量只有四个u, v, p, t, 在方程上与h无关. 强烈非线性,四.定解条件. 1.初始条件 2.边界条件: 第一类边界条件,规定边界上流体的温度分布. 第二类边界条件,给定边界上加热或冷却流体的 热流密度. 为何不用第三类边界条件？,五、求解方法,解析解：解微分方程组 数值解：:用计算机 实验方法（理论分析法与实验相结合） 比拟法,六、影响对流换热的因素 流速：V h V=0 无对流 物性表征物质物理特性的物理量 密度（density

6、)，粘性（viscosity)，热导率(thermal conductivity)，比热（specific heat capacity)等其他条件相同时，不同的流体换热量不同，就是因为物性不同 流体及壁面温度 定性温度（reference temperature),流动状态，层流，紊流,壁面形状,位置 形状(平板,圆管)位置(横放,竖放,管内,管外),综上所述,Newton cooling law 只是一重处理方法,既将许多矛盾都加在h上。以后对流换热的内容实际都是讨论 h 如何确定.,特征尺度（character dimension),平板Re=2105到3106之间，一般取5105,定性温

7、度（reference temperature),5-3 边界层分析及边界层微分方程组,一.边界层的概念,1. 流动(速度)边界层： 靠近壁面处流体速度发生显著变化的薄层 边界层的厚度(boundary layer thickness): 达到主流速度的99%处至固体壁面的垂直距离 边界层的特点 (1) 有层流(laminar flow),紊流(turbulent flow)之分. 分界点 Rec=3X1053X106,一般 可取Rec=5X105 在湍流区,贴壁面还有一极薄的层流底层（粘性底层）,(2) =(x) x (x) (3) (x) x (L) L (4) 流场分为: 主流区 (un

8、disturbed flow regime)(potential) 边界层区(boundary regime),2.热边界层(温度边界层thermal boundary layer),假如流体的温度为t (ttw ),将有热量传递。 定义: 在壁面附近温度发生显著变化的薄层. 热边界层的厚度:过余温度=t-tw=0.99(t-tw)至壁面的距离t 边界层的特点:与流动边界层相同,3.流动边界层与热边界层比较 在定义边界层厚度时,我们用u和t, 在忽略体积力时,有,能量方程,如果=a则两个方程完全一样.因此他们的解也必定相同,也就是说其速度分布与温度分布完全相同.故a 就有重要意义.,普朗特数(

9、Prandtl number),动量方程,运动粘度,粘性扩散的能力,热扩散率,热扩散的能力,粘性扩散=热扩散,常见流体 Pr=0.64000 空气 Pr=0.61 液态金属较小 Pr =0.01-0.001数量级,4.边界层的作用. (1).利用它可以简化方程.(2).定性分析传热过程,粘性扩散热扩散,粘性扩散热扩散,平板温度场 t=t(x,y),故h= h (x),既换热表面不同位置的对流换热系数不同,故将h (x)称为在x处的局部对流换热系数.,局部对流换热系数(local heat transfer coefficient).,平均对流换热系数(average heat transfer

10、 coefficient),以后除非特殊声明外,我们所说的对流换热系数皆指平均对流换热系数,以 h 表示. h(x)规律说明 Laminar region x (x) h (x) 导热 Transition region 扰动 h(x) Turbulent region 湍流部分的热阻很小,热阻主要集中在 粘性底层中.,由上述分析可见,边界层控制着传热过程,故一些研究人员试图通过 破坏粘性底层来达到强化传热的目的,并取得了一些成果.,二、边界层微分方程组.,牛顿流体(Newtonian fluid),常物性,无内热源,耗散不计,稳态,二维,略去重力. 完性分析已知：u，t，l 的量级为0(1) ， t 的量级为0(）,以此五个量为分析基础。,故,故,的平均值为,故,由连续性方程,则,故,的数量级全为1，则,这样可以对微分方程组进行简化(数量级一致）,x方向的动量扩散可以忽略,最后，我们得到,x方向的导热可以忽略,其中dp/dx是已知量，可由主流区理想流体的Bernoul