传热学-第5章+对流换热的理论基础.ppt

1、传热学,第 5 章 对流换热的理论基础,内容要求: 对流换热概说； 对流传热问题的数学描述； 边界层对流传热问题的数学描写； 流体外掠平板传热层流分析解及比拟理论。,第 5 章 对流传热的理论基础,2. 对流换热（Convection heat transfer）: 流体流过另一个物体表面时， 对流和导热联合起作用的 热量传递现象。,1. 对流（Convection）： 是指流体各部分之间发生相对位移时，冷热 流体相互掺混所引起的热量传递现象 。,平壁表面的 传热机理,5.1 对流传热概说,5.1.1 对流传热的基本概念和计算公式,3. 牛顿冷却公式 （Newtons law of cooli

2、ng）,式中：,tw 固体表面的平均温度。,tf 流体温度。,外部绕流（外掠平板，圆管） tf 为流体的主流温度。,内部流动 （各种形状槽道内的流动） tf 为流体的平均温度。,tf,h 固体表面的平均表面换热系数。,4. 局部表面传热系数与平均表面传热系数,局部对流换热时局部热流密度：,整个换热物体表面的总对流换热量：,平均表面传热系数：,tw-tf=Const,对流换热的核心问题,归纳起来，主要有以下五方面： 流动的成因（自然对流, 强制对流） 流动的流动状态（层流, 紊流） 换热时物体有无相变（沸腾, 凝结） 流体的物性（导热系数, 粘度, 密度, 比热容等） 换热表面的几何因素,对流换

3、热是流体的导热和热对流两种基本方式 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。,5.1.2 对流传热的影响因素,1. 流动的起因 强迫对流，自然对流。 流动的起因不同，流体内的速度分布，温度 分布不同，对流换热的规律也不同。,自然对流：由于流体内部的密度差产生的流动。,强迫对流：流体在泵，风机或其他外部动力作 用下产生的流动。,2. 流动的流动状态 层流流动，湍流流动。,层流 (Laminar flow)：,流速缓慢； 沿轴线或平行于壁面作规则分层流动； 热量传递：主要靠导热（垂直于流动方向）,湍流 (Turbulent flow)：,流体内部存在强烈脉动和旋涡

4、运动； 各部分流体之间迅速混合； 热量传递：主要靠对流 。,导热,对流,3. 流体有无相变,Fluid motion induced by vapour bubbles generated at the bottom of a pan of boiling water,Condensation of water vapour on the outer surface of a cold water pipe,有相变 沸腾换热，凝结换热。 流体发生相变时的换热规律及强度和单相流 体不同。,4. 流体的热物理性质,对对流换热的强弱有非常大的影响。,密度和比热容：,体积热容 ：单位体积流体热容量的大

5、小。,导热系数：,影响流体内部的热量传递过程和温度分布； 越大，导热热阻越小，对流换热越强烈。,水的换热能力远高于空气,水的冷却能力强于空气,粘度：,影响速度分布与流态（层流，湍流）； 越大，分子间约束越强，相同流速下不易 发展成湍流状态。 高粘度流体（油类）多处于层流状态，h较小。,对自然对流换热有很大影响； 影响重力场中因密度差而产生的浮升力大小。,体积膨胀系数：,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， 表面状态（光滑或粗糙）等。,对对流换热有显著影响； 影响流态，速度分布，温度分布。,特征长度,对强迫对流换热：,对自然对流换热：,浮升力项包含的因子,5.1.3 对

6、流传热的研究方法,1. 分析法： 指对描写某一类对流传热问题的偏微分方程及定解 条件进行数学求解，从而获得速度场和温度场的分析解。 可得出精确解或近似解。适用简单问题。 2. 数值法： 对对流换热过程的特征和主要参数变化趋势作出预测。 3. 实验法； 相似原理和量纲分析理论。 4. 比拟法： 利用流体动量传递和热量传递的相似机理，建立 表面传热系数和阻力系数之间的相互关系。,5.1.4 如何从解得的温度场计算表面传热系数, 换热微分方程,固体壁面处局部热流密度：,又由牛顿冷却公式：,局部表面传热系数：,平均表面传热系数：,流体的导热系数,5.2 对流传热问题的数学描述,对流传热问题完整的数学描

7、述：,1. 连续性方程,根据微元体的质量守恒导出。,设速度分布：,二维流动：,5.2.1 对流传热的微分方程组,根据微元体的动量守恒导出。,2. 动量微分方程（Navier-Stokes方程）,x方向：,y方向：,强迫对流换热：忽略重力项； 自然对流换热：浮升力起重要作用。,3. 能量微分方程,根据微元体的能量守恒导出。,若流体静止：,或：,导热微分方程,对流换热微分方程组：,含有未知量：,适用条件：自然对流，强迫对流换热； 层流，湍流换热。,1. 几何条件： 对流换热表面的几何形状，尺寸，壁面与 流体的相对位置，壁面粗糙度。,2. 物理条件： 流体的物理性质（）, 有无内热源。,3. 时间条

8、件： 对流换热过程进行的时间上的特点。,稳态换热：无初始条件 非稳态换热：初始时刻的速度场和温度场。,5.2.1 对流传热的定解条件,4. 边界条件： 说明对流换热边界上的状态（边界上速度分布， 温度分布及与周围环境之间的相互作用）。,第一类边界条件：,恒壁温边界条件（Constant temp B.C）,第二类边界条件：,恒热流边界条件（Constant heat rate B.C）,1904年，德国科学家普朗特提出著名的 边界层概念。,5.3.1 流动边界层 (Velocity boundary layer),举例：流体平行外掠平板的强迫对流换热。,边界层特点 l,5.3 边界层对流传热问

9、题的数学描写,流场分区：,边界层区：,速度梯度大，粘性力不能忽略； 粘性力与惯性力处同一数量级； 动量交换的主要区域，用动量微分方程描述。,主流区：,速度梯度趋于零，粘性力忽略不计； 流体可近似为理想流体； 用理想流体的欧拉方程描述。,掠过平板时边界层的形成和发展：,层流边界层 过渡区 湍流边界层,层流底层 (Laminar sublayer) 缓冲层 (buffer layer) 湍流核心区 (Turbulent region),转戾点,湍流边界层的三层结构模型：,外掠平板：,5.3.2 热边界层 (Thermal boundary layer),1921年，波尔豪森提出。,热边界层厚度t

10、：,温度场分区：,热边界层区：,存在温度梯度，发生热量传递的主要区； 温度场由能量微分方程描述。,主流区：,温度梯度不计，近似等温流动。,3. 热边界层和流动边界层的关系,流动中流体温度分布受速度分布影响。,局部表面传热系数的变化趋势。,表面传热系数,导热,对流,导热,导热热阻增大,扰动,热阻增大,普朗特准数Pr,定义：,物理意义： 流体的动量扩散能力与热量扩散能力之比。,对层流边界层，若热边界层和流动边界层 从平板前缘点同时发展：,当 时，,当 时，,当 时，,对常见流体，Pr范围 0.64000 之间。,液态金属0.05 气体0.6-0.8 油102-103,边界层特点,边界层厚度：l,

11、; tl,; 流场划分为边界层区和主流区; 边界层有层流边界层和湍流边界层, 湍流边界 层分为层流底层, 缓冲层和湍流核心区三层。 层流边界层和层流底层，热量传递主要靠导 热。湍流边界层的主要热阻在层流底层。,5.3.3 边界层内对流换热微分方程组的简化,分析对象：常物性，无内热源，不可压缩 牛顿流体，二维对流换热：,对流换热微分方程组,对稳态，忽略重力场，二维强迫对流换热：,边界层内简化对流换热方程组介绍：,首先确定：,从而：,且：,连续性方程：,数量级分析,动量微分方程：,可忽略,能量微分方程：,边界层内对流换热微分方程组：,边界层外伯努利方程：,未知数： ,t,可求温度分布,换热方程：,求出表面传热系数,2. 对流换热边界层微分方程组是否适用于 粘度很大的油和Pr数很小的液态金属。,在流体温度边界层中，何处温度梯度 的绝对值最大？为什么？,5.4 流体外掠等温平壁层流对流传热分析解简介,边界层传热微分方程组: 适用于符合边界层性质场合, 简单情况; 不适于管内流动。,对外掠等温平壁 层流对流换热,2. 摩擦系数：,局部摩擦系数：,平均摩擦系数：,5.4.1 速度场求解结果,1.