《对流换热概述》ppt课件

1、对流换热对流换热: :流体流过固体壁面情况下所发生的热量交换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根本计算式对流换热以牛顿冷却公式为其根本计算式, ,即即thqmthA或对于面积为或对于面积为A A的接触面的接触面其中其中t t 为换热面积为换热面积A A上的平均温差上的平均温差. .商定商定q q 及及 总是取正值总是取正值, ,因此因此t t及及tmtm也要求取正值也要求取正值. . 5-1 对流换热概述.一.对流换热的分类1. 1.按动力分按动力分强迫对流强迫对流(forced convection):(forced convection):由于泵由于泵,

2、 ,风机风机, ,或压差等流体本或压差等流体本身以外的动力产生的流动换热身以外的动力产生的流动换热. .自然对流自然对流(natural convection):(natural convection):由于流体的密度差等流体本由于流体的密度差等流体本身的要素产生的流体流动换热身的要素产生的流体流动换热. .混合对流混合对流(mixed convection):(mixed convection):自然对流和强迫流动换热并存自然对流和强迫流动换热并存. .凝结换热凝结换热:(condensation heat transfer):(condensation heat transfer)物质由气

3、态变为液态物质由气态变为液态时发生的换热时发生的换热. .熔化换热熔化换热(melting heat transfer)(melting heat transfer)凝固换热凝固换热(solidification heat transfer)(solidification heat transfer)升华换热升华换热(sublimation heat transfer)(sublimation heat transfer)凝华换热凝华换热sublimation heat transfer sublimation heat transfer 相变换热相变换热: :传热过程中有相变发生传热过程中有

4、相变发生. .物质有三态物质有三态, ,固态固态, ,液态液态, ,气态，称三相气态，称三相. .相变换热又分为相变换热又分为: :沸腾换热沸腾换热:(boiling heat transfer):(boiling heat transfer)物质由液态变为气态时物质由液态变为气态时发生的换热发生的换热. .2.按有无相变分.层流流动换热层流流动换热(laminar heat transfer) (laminar heat transfer) 紊流流动换热紊流流动换热(turbulent heat transfer)(turbulent heat transfer)4.4.按几何外形按几何外形

5、管内管内( (槽道内槽道内) )流动流动(flow in ducts )(flow in ducts )外部绕流外部绕流(around vertical plant)(around vertical plant)3.按流动方式分.管内凝结管外凝结凝结换热管内沸腾大容器沸腾沸腾换热有相变有限空间自然对流大空间自然对流自然对流射流冲击换热的对流换热外掠其他截面形状柱体热外掠圆管管束的对流换热外掠单根圆管的对流换外掠平板的对流换热外部流动对流换热其他形状截面管道内的圆管内强制对流换热内部流动强制对流混合对流无相变对流换热对流换热的分类表对流换热的分类表.thq2mWthAqAW无滑移边境条件无滑移边

6、境条件0yytA令上两式相等那么有令上两式相等那么有0yytAtAh那么那么0yytth二、对流传热的根本公式 ( h 确实定方式).一、假设条件一、假设条件 为简化分析为简化分析, ,对于常见影响对流换热问题的主要对于常见影响对流换热问题的主要要素要素, ,做如下假设做如下假设: : (1) (1) 流动是二维的流动是二维的; ; (2) (2) 流体为不可紧缩的牛顿流体流体为不可紧缩的牛顿流体; ; (3) (3) 流体物性为常数流体物性为常数, ,无内热源无内热源; ; (4) (4) 流速不高流速不高, ,忽略粘性耗散忽略粘性耗散( (摩擦损失摩擦损失) ;) ; (5) (5) 流体

7、为延续性介质流体为延续性介质5-2 对流换热问题的数学描画.22ttdxdyyydxdyyttdyyvvcpxtdytdyucpytdxtdxvcpdxXtxtdy22dydxxttdxxuucp微元控制体微元控制体xOy二、能量方程的推导.利用热力学第一定律有利用热力学第一定律有 导入的净热量导入的净热量+ +流入的净热量流入的净热量=系统内的焓增系统内的焓增在在x x方向上导入的净热量有：方向上导入的净热量有：dxdyxt22在在y y方向上导入的净热量：方向上导入的净热量：dxdyyt22在在x x方向上流入的净热量方向上流入的净热量dxdxdyxtxucdxdyxtucdxdyxutc

8、dxdxxtxuxtudxtdxxuutdyctdyucdydxxttdxxuuctdyucppppppp.略去高次项后得略去高次项后得dxdyxtuxutcp代入热力学第一定理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单位时间内的微元控制体内的焓增同理得同理得Y Y方向上的净热量方向上的净热量dxdyytvyvtcptdxdycpdxdyytvyvtxtuxutcdxdyytdxdyxttdxdycpp2222ytvxtuyvxutytxtctp2222taDDt22222ytxtaytvxtutzwyvxuDD.1. 1.延续性方程延续性方程(continuity equatio

9、n)(continuity equation)0yvxu2.2.动量守恒方程动量守恒方程(momentum equation)(momentum equation)22222222xyuuupuuuvFxyxxyvvvpvvuvFxyyxy惯性力惯性力(inertial force)(inertial force)体积力体积力(body force)(body force)压力梯度压力梯度(pressure (pressure gradient) gradient) 粘性力粘性力(viscous force)(viscous force)3.3.能量守恒方程能量守恒方程 energy equa

10、tion)energy equation)2222ytxtaytvxtut能量变化能量变化对流项对流项导热项导热项三.对流换热微分方程组.0yytth=未知量：未知量：u, v, p, t, hu, v, p, t, h=方程：方程： 五个五个=方程组是封锁的方程组是封锁的, ,可求解可求解 =剧烈非线性剧烈非线性 4.4.换热微分方程换热微分方程( (无滑移边境条件无滑移边境条件) ).1. 1.初始条件初始条件 2.2.边境条件边境条件: : 第一类边境条件第一类边境条件, ,规定边境上流体的温度分布规定边境上流体的温度分布. . 第二类边境条件第二类边境条件, ,给定边境上加热或冷却流体

11、的给定边境上加热或冷却流体的 热流密度热流密度. . 为何不用第三类边境条件？为何不用第三类边境条件？四.定解条件.n解析解：解微分方程组解析解：解微分方程组n数值解：数值解：: :计算机进展数值计算计算机进展数值计算n实验方法实际分析法与实验相结合实验方法实际分析法与实验相结合n比较法：动量传送与热量传送类似性比较法：动量传送与热量传送类似性五、求解方法.l流速：流速：V V h h V=0 V=0 无对流无对流l物性表征物质物理特性的物理量物性表征物质物理特性的物理量l密度密度density)density)，粘性，粘性viscosity)viscosity)，热导率，热导率(therma

12、l conductivity)(thermal conductivity)，比热，比热specific heat capacity)specific heat capacity)等，其他条件一样时，不同的流体换热量不同，就是等，其他条件一样时，不同的流体换热量不同，就是由于物性不同由于物性不同l流体及壁面温度流体及壁面温度l 定性温度定性温度reference temperature)reference temperature)六、影响对流换热的要素.l流动形状流动形状: :层流，紊流层流，紊流; ; l壁面外形壁面外形, ,位置位置l 外形外形( (平板平板, ,圆管圆管) )位置位置( (

13、横放横放, ,竖放竖放, ,管内管内, ,管管外外) )综上所综上所述述,pfwpfwfuctthfucttAt Newton cooling law Newton cooling law 只是一种处置方法只是一种处置方法, ,既将许多要素都加既将许多要素都加在在h h上。对流换热的内容实践都是讨论上。对流换热的内容实践都是讨论 h h 如何确定如何确定. .44101022002200ReReRe层流层流过渡流过渡流旺盛湍流旺盛湍流 对于管内流动对于管内流动,.一一. .边境层的概念边境层的概念1. 1. 流动流动( (速度速度) )边境层：边境层： 接近壁面处流体速度发生显著变化的薄层接近

14、壁面处流体速度发生显著变化的薄层边境层的厚度边境层的厚度(boundary layer thickness):(boundary layer thickness): 到达主流速度的到达主流速度的99%99%处至固体壁面的垂直间隔处至固体壁面的垂直间隔5-3 边境层分析及边境层微分方程组.l边境层的特点边境层的特点l(1) (1) 有层流有层流(laminar flow),(laminar flow),紊流紊流(turbulent flow)(turbulent flow)之分之分. .l分界点分界点 Rec=3X1053X106, Rec=3X1053X106,普通普通 可取可取Rec=5X1

15、05Rec=5X105l在紊流区在紊流区, ,贴壁面还有一极薄的层流底层粘性底层贴壁面还有一极薄的层流底层粘性底层l(2) (2) =(x) x(x) x (x) (x) l(3) (3) (x) x (x) 热分热分散散粘性分散粘性分散热分散热分散.二、数量级分析方法及边境层换热微分方程组二、数量级分析方法及边境层换热微分方程组 在热边境层内，假设牛顿流体具有常物性,无内热源,耗散不计,稳态,二维,略去重力. 知：u，t， 的量级为0(1) ， t , v 的量级为0(以此六个量为分析根底。) 1 (0 x y0故 0y，数量级定级为1，数量级定级为0导数的数量级由因变量与自变量的数量级确定

16、，所以 10 xu 10yv.的数量级为1，20a这样可以对微分方程组进展简化(数量级一致0uvxy112222uupuuuvxyxxy 11111111221 x方向的动量分散可以忽略方向的动量分散可以忽略.2222vvpvvuvxyyxy 111221222222ytxtaytvxtu111111221最后，我们得到： x方向的导热可以忽略方向的导热可以忽略.221uud puuvxyd xy 22ytaytvxtu其中dp/dx是知量，可由主流区理想流体的Bernoulli方程确定忽略重力或平面流动dxduudxdp边境条件0yy0uvuuwtttt（ 恒 壁 温 ）21const.2p

17、ugz0uvxy.上述方程的求解结果层流及部分换热系数为1908,Blasius, 1921, Pohlhausen)112311320.3320.332RePrxxu xhxax上式改写为11230.332xh xuxa无量纲量 称为努塞尔数，记为Nuxhx于是，外掠等温平板的无内热源的层流对流换热问题的分析解为3121332.0PrReNuxx上式称为特征数方程，习惯上称为准那么方程或关联式。.5-4 5-4 准那么数准那么数ulPea雷诺数：雷诺数：ululRePrahlNu32gtlGr毕渥数：毕渥数：贝克莱数：贝克莱数：普朗特数：普朗特数：努塞尔数：努塞尔数：格拉晓夫数：格拉晓夫数：

18、hlBi.=自然对流自然对流natural or free convectionnatural or free convection：由于流体本身的：由于流体本身的温度温度 场不均匀性引起的流动，密度是运动的动力。场不均匀性引起的流动，密度是运动的动力。= 实例：暖器散热，电子元件散热。实例：暖器散热，电子元件散热。= 特点特点: : 速度分布两端小，中间大，温度分布与强迫对流相速度分布两端小，中间大，温度分布与强迫对流相= 似。似。= 普通情况下，不均匀稳度场只发生在接近普通情况下，不均匀稳度场只发生在接近 换热面的薄层内，构成自然对流边境层。换热面的薄层内，构成自然对流边境层。与平板的类似

19、，也有层流湍流之分与平板的类似，也有层流湍流之分5-5 5-5 自然对流换热及其实验关自然对流换热及其实验关联式联式.=分类分类所研讨对象周围无其它物体影响换热。只需边所研讨对象周围无其它物体影响换热。只需边境层不受干扰即为大空间。境层不受干扰即为大空间。有限空间自然对流：不满足大空间条件有限空间自然对流：不满足大空间条件大空间自然对流大空间自然对流.nGrCNuPr其中其中32gtlGr 体膨胀系数体膨胀系数(volume coefficient of expansion)(volume coefficient of expansion)ppTvvT11对于理想气体对于理想气体 pv=RT

20、pv=RTTRTRpRvTvvp111tttw)(21tttwm定性温度定性温度: :一、大空间自然对流换热的实验关联式一、大空间自然对流换热的实验关联式.例例5-8 5-8 室温为室温为1010的大房间中有一个直径为的大房间中有一个直径为10cm10cm的烟囱，其的烟囱，其竖直部分高为竖直部分高为1.5m1.5m，程度部分长，程度部分长15m15m。求烟囱的平均壁温为。求烟囱的平均壁温为 110 110 时，对流散热量。时，对流散热量。解：定性温度解：定性温度Ctttowm602/110102/由附录由附录(p187)(p187)查得，查得，60 60 时空气的物性时空气的物性3/060.

21、1mkgKkgkJcp/005. 1KmW/029. 06218.97 10/ms1 1烟囱竖直部分的散热烟囱竖直部分的散热3231022629.8/1.5110 102.76 1018.97 10/27360om smCgtlGrmsK.10101092. 1696. 01076. 2PrGr由前表知由前表知2681092. 110. 03/110NuKmWmKmWlNuh2/18. 55 . 1/029. 0268Wttdlhw24410018. 55 . 11 . 014. 31.2 2烟筒程度部分的散热烟筒程度部分的散热3362269.8 0.11008.2 1018.97 10273

22、60gtlGr4 .251022. 553. 01022. 5696.102 . 8Pr25. 0666NuGr所以所以KmWh2/36. 71 . 0029. 04 .25W347010036. 7151 . 014. 32W3710347024421.夹层内流体的流动，主要取决于以夹层厚度夹层内流体的流动，主要取决于以夹层厚度为特征长度的为特征长度的GrGr数。数。23vtgGr计算采用书上引荐的实验关联式计算采用书上引荐的实验关联式二、有限空间自然对流换热的实验关联式二、有限空间自然对流换热的实验关联式.例例5-9 5-9 一个竖封锁夹层，两壁由边长为一个竖封锁夹层，两壁由边长为0.5m

23、0.5m的方形壁组成，的方形壁组成，两壁间距为两壁间距为15mm15mm，温度分别为，温度分别为100 100 ，40 40 。试计算经过此。试计算经过此空气夹层的自然对流换热量。空气夹层的自然对流换热量。解：定性温度为两壁的平均温度解：定性温度为两壁的平均温度CCCtttooowwm70240100221从附录查得空气物性为从附录查得空气物性为3621.029/,20.0210/0.0296/,Pr0.694kgmmsWm K对于空气：对于空气：31112.915 10343mKTK.3231326249.8 /2.915 106015 10Pr0.69420.02 10/1.002 10o

24、m sKCmGrms按式按式5-425-42计算，即计算，即335. 1015. 05 . 010002. 1197. 091414Nu所以所以KmWmKmWh2/63. 2015. 0/0296. 0335. 1自然对流换热量按牛顿冷却公式计算自然对流换热量按牛顿冷却公式计算WCmKmWthAoc5 .396025. 0/63. 222.一、影响强迫对流换热的要素一、影响强迫对流换热的要素1. 1. 层流与紊流层流与紊流 Re2200 Re2200 层流层流 2200Re104 2200Re104 Re104 旺盛旺盛紊流紊流5-6 5-6 内部流动强迫对流换热实验关联式内部流动强迫对流换热

25、实验关联式.2. 2. 入口段的影响入口段的影响流体进入管中，便构成边境层，其厚度从流体进入管中，便构成边境层，其厚度从o o点处逐渐增大，直点处逐渐增大，直至集合，集合点将管流分为两段，即入口段和充分开展段。至集合，集合点将管流分为两段，即入口段和充分开展段。充分开展段：沿管长截面上的速度分布不变的管段充分开展段：沿管长截面上的速度分布不变的管段, ,也叫定性段。也叫定性段。.Laminar flow Laminar flow 随着流动方向而添加随着流动方向而添加 h, Turbulent flow Turbulent flow 开场同层流，进入紊流后开场同层流，进入紊流后h非定性段：截面上的