传热学-对流换热.ppt

1、第六章 对流换热,本章教学内容,6-0 有关概念 6-1 牛顿冷却公式和表面传热系数 6-2 影响对流换热的主要因素 6-3 对流换热微分方程组 6-4 对流换热的无量纲准则 6-5 自然对流换热的计算 6-6 强制对流换热的计算,自然界中的种种对流现象,强制对流与自然对流,电子器件冷却,沸腾换热原理,空调蒸发器、冷凝器,动物的身体散热,对流换热：工程上流体流过一物体表面时的热量传递过程。,流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。 自然界不存在单一的热对流，必然同时伴随着热传导。,热对流（Convection）,流体流过与其温度不同的固

2、体壁面时发生的热量传递过程。 既有热对流，也有导热。 不是基本传热方式。,对流换热,1) 暖气管道；2) 电子器件冷却；3)内燃机气缸、活塞的冷却。,对流换热的实例,流体的宏观运动 + 微观的导热，导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层对流换热的机理与通过紧靠换热面的薄膜层的热传导有关。,对流换热的特点,对流传热过程分类,6-0 有关概念,一、实际流体的粘性和运动状态 （一）实际流体的粘性 1、粘性 是指流体流动时流体内部产生内摩擦力的性质。 体现流体内摩擦力及粘性作

3、用的实验 由于各层流体之间的速度不同，相互间就存在着相对滑动，即流体发生了剪切变形，于是各层之间产生出一种抵抗变形的力，称为内摩擦力或粘性力。,2、牛顿内摩擦定律,流体运动所产生的内摩擦力与沿接触面法线方向的速度梯度成正比，与接触面的面积成正比，并与流体的物理性质有关。 3、表示流体粘性大小的物性指标 动力粘度 ，单位 kg/(ms) 运动粘度，单位 m2/s 粘性是流体的一种物理属性，或的大小与流体种类有关。对同一流体，其值又随温度而异。,（二）实际流体的运动状态,1、雷诺实验 1883年，雷诺在有水流动的玻璃管进口处注入有颜色的液体后发现的现象。,2、层流和湍流,层流：整个流场呈一簇互相平

4、行的流线。 特点：流体具有明显分层流动现象，相邻两层之间不存在流体微团的混杂，而只有分子间的相互交换。,湍流（紊流）：流体质点做复杂无规则的运动。 特点：流体在流动的垂直方向上出现明显而不规则的混杂现象。,3、临界速度 两种流动状态相互转换时的流体流动速度。 临界速度 管道直径 运动粘度 临界雷诺数,4、雷诺数和临界雷诺数,雷诺数Re定义式： 临界雷诺数Rec：速度等于临界速度时的雷诺数。,临界雷诺数Rec可作为判别层流、湍流的依据。 Re Rec (上) : 湍流 Re的值界于上、下临界雷诺数之间时，流体处于层流到湍流的过渡状态，这一区域称为过渡区。,5、层流底层（贴壁流体层） 流体在做湍流

5、运动时，在管壁附近形成一层流速很低的极薄的层流，称为层流底层。 层流底层的厚度随着流速的增加（即Re增加）而减薄。,二、边界层,（一）速度(流动)边界层 1、速度边界层的形成原因 粘性流体流过固体壁面时，由于流体与壁面之间摩擦阻力的影响，壁面附近的流体速度会减小，即从来流速度减小到壁面的零速度。 2、速度边界层图，见右图。,3、速度边界层定义 把紧靠壁面、速度变化比较剧烈的流体层叫做速度（流动）边界层。,理想流体：在速度边界层外，速度梯度等于零，粘性力等于零。这样的流体称为理想流体。,（二）热边界层（温度边界层）,1、热边界层的形成原因 流体流过壁面时，如果流体与壁面之间存在温差而进行对流换热

6、，沿壁面法线方向流体的温度从壁面温度变到主流温度。 近壁流体中温度梯度的存在，说明流体与壁面之间有热量的传递（导热）。,2、热边界层图，见下图。,3、热边界层定义 对流换热时壁面附近出现一层温度变化比较剧烈的流体层，这一流体层叫做热（温度）边界层。,（三）对流换热强度与流体运动状态的关系,（1）流体静止时，完全依靠导热，此时dt/dy最大；(只有热边界层） （2）层流状态时，以导热为主， dt/dy较大，对流换热较弱；（有热边界层和层流速度边界层） （3）湍流状态时，对流很强，导热可忽略， dt/dy很小；在壁面附近的层流底层，此处主要依靠导热， dt/dy较大。（有热边界层、湍流速度边界层及

7、层流底层）,（四）热边界层厚度与热阻的关系 热边界层越薄，其热阻越小，换热越强。 （五）边界层的特点 1、热边界层和速度边界层的厚度很小； 2、边界层内速度梯度和温度梯度很大； 3、引入边界层后，流动区域可分为边界层区（粘性流体）和主流区（理想流体）； 4、边界层内亦有层流和湍流两种状态。,6-1 牛顿冷却公式和表面传热系数,热流体被冷却：,式中：Q 对流传热速率，W； h 对流传热系数，W/(m2)； Tw，tw 热流体，冷流体侧壁温，K或者； Tf，tf 热、冷流体平均温度，； A 传热面积，m2。,冷流体被加热：,一、对流传热基本方程牛顿冷却定律,二、表面传热系数 h 当流体与壁面温度相

8、差 1C时、单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量。,h 是一个表征对流换热强弱的非物性参数。 h 受诸如流速、流体物性参数、固体的形状和位置等许多因素的影响。 如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问题。,h 只是对流换热系数的一个定义式，它并没有揭示与影响它的各物理量间的内在关系，研究对流换热的任务就是要揭示这种内在的联系，确定计算表面换热系数h的表达式。,影响对流换热的因素，由newton公式转换为影响对流换热系数的因素。,h不是物性参数，是受多种因素影响的复杂函数。,6-2 影响对流换热的主要因素,引起流动的原因 流动状态 流体的物性 是否发生流体相变 传热面的形状、大小和位置,对

9、流传热是流体在具有一定形状及尺寸的设备中流动时发生的热流体到壁面或壁面到冷流体的热量传递过程，因此它必然与下列因素有关：,影响对流传热系数的因素：,一、流体的动力（流动起因） 自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动 。 强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生 的流动 。,自然对流其流动速度除决定于受热或冷却的强度外，还与流体性质、空间大小、换热壁面的位置等有关。 强制对流的速度决定于外力所产生的压差、流体的性质和流道的阻力。,二、流体的运动状态 层流时，热传递主要依靠互不相干的流层之间的导热； 湍流时，在紧贴壁面的层流底层之外，流体沿壁面法线方向产生热对流作用而

10、使热传递增强。,雷诺实验,三、流体的物理性质,1、导热系数 w/(m. ) (流体内部和流体与壁面间导热热阻小）h 2、密度 kg/m3 3、比热容 c J/(kg. ) 、c (单位体积流体能携带更多能量）h 4、动力粘度 N.s/m2、运动粘度 =/ m2/s （有碍流体流动，不利于热对流）h 5、体膨胀系数 1/k （自然对流换热增强）h,四、换热壁面的几何尺寸、形状及位置,内部流动对流换热：管内或槽内 外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束,影响到流体沿壁面的流动状态、速度分布和温度，从而影响对流换热系数。,五、 流体有无相变（流体相变）：,单相换热 Single phase heat

11、 transfer： 相变换热 Phase change： 凝结、沸腾、升华、凝固、融化等,流体相变时吸收或放出汽化潜热比比热容大得多，且破坏了层流底层强化了传热。,前4类影响因素构成将对流换热进行分类的基架，流体的物性将通过一个特殊的无量纲数来专门予以反映,六、归纳,七、对流换热的分类(classification),八、研究对流换热的方法,分析 解法,实验法,比拟法,数值 解法,采用数学分析求解的方法，有指导意义。,通过大量实验获得表面传热系数的计算式，是目前的主要途径。,通过研究热量传递与动量传递的共性，建立起表面传热系数与阻力系数之间的相互关系，限制多，范围很小。,与导热问题数值思想类

12、似，发展迅速，应用越来越多。,1.获得 h 的方法,2.如何从获得的温度场来计算 h,无论是分析解法还是数值法首先获得都是温度场，如何由 Th ？,由傅里叶定律,牛顿冷却公式,3.注意上式与导热问题IIIBC的差别,(1)导热问题中，h已知，此处h为未知值,(2)导热问题中，为固体导热系数，此处为流体导热系数,(3)导热问题中，t为固体温度，此处t为流体温度,6-3 对流换热微分方程组,对流换热是流体热对流和导热联合作用的热量传递过程。由于牵涉到质量、动量、热量等的传递，所以需用一组微分方程式来描述。,具体包括： 描述对流换热系数本质的对流换热方程、 描述流体流动状态的连续性微分方程和动量微分

13、方程、 描述流体中温度场的能量微分方程。,一、换热微分方程,1、导出 对流换热量在壁面和流体之间传递时，都要通过紧贴壁面的流体层，此处流体速度为零（无对流），热量传递完全依靠导热。 因此，由傅里叶定律与牛顿冷却公式联立，导出换热微分方程式： 从传热机理看，对流换热实际上就是处在运动状态下的流体导热。,2、说明 （1）换热微分方程式将表面传热系数h与流体的温度场联系起来，表明h的求解有赖于流体温度场的求解。 （2）换热微分方程中的 和 是流体的参数而不是固体的参数；换热微分方程式中的h为未知数。（对比导热问题的第三类边界条件）,温度场,特别是壁面附近的温度分布,流场,对流换热微分方程式,二、连续

14、性微分方程（质量守恒方程）,依据质量守恒定律，在单位时间内，净流入微元体的质量等于微元体内的质量增量。 对于不可压缩粘性流体，在稳态、常物性场合下，连续性微分方程为（直接引用流体力学推导结果）：,三、动量守恒微分方程,依据牛顿第二定律推导，即作用于微元体上所有外力之和等于惯性力。 对于不可压缩粘性流体，在稳态、常物性场合下，动量守恒微分方程为（直接引用流体力学推导结果）： 1 2 3 第1项代表惯性力，第2项代表浮升力，第3项代表粘滞力。,1.简化假设,（一）能量微分方程导出,2.基本原理,Fourier导热定律,能量守恒定律，用于开口系统,2D;常物性(T不大；P足够小；流速较低);不可压缩

15、、牛顿流体；无内热源；不计动能位能的变化；不计流体与壁面间的辐射换热,不计粘性耗散,四、能量微分方程,外界导入微元体的净热流量,热力学内能增量,Incompressible fluid,3.讨论,(2)对流换热过程中，热量传递除了依靠流体流动所产生的对流项外，还有导热引起的扩散项，对流与导热综合传递热量,(3)u=v=0，纯导热方程，对流换热能量微分方程是导热微分方程的推广,（1）有内热源,（二）2D,Constant thermophysical properties, Incompressible, Newtonian fluid,5个方程，5个未知量 理论上可解,定解条件（以温度场为例）,第一类边界条件：给定边界流体的温度,第二类边界条件：给定边界流体的温度,第