ch7.对流换热

1、第第7章章 对流传热对流传热Chapter 7 Convective heat transfer主主要要内内容容14:12:191Chapter 7 对流换热l对流换热的基本概念对流换热的基本概念l对流换热的对流换热的数学分析法数学分析法l对流换热的对流换热的相似理论相似理论模型实验法模型实验法7.1 7.1 对对流换热的基本概念流换热的基本概念fTwTxqxy14:12:192Chapter 7 对流换热1、对流对流（1）对流换热对流传热又称对流换热，是指流体流过表面时的热量传输过程。7.1 7.1 对对流换热的基本概念流换热的基本概念14:12:193Chapter 7 对流换热（2）分类

2、时间：稳定对流换热、不稳定对流换热；起因：自然对流换热、强制对流换热；接触：内部流动对流换热、外部流动对流换热；流态：层流对流换热、紊流对流换热；相变：单相对流换热、多相对流换热。7.1 7.1 对对流换热的基本概念流换热的基本概念14:12:19Chapter 7 对流换热42、牛顿冷却公式及对流换热系数AtthqwfW wftthq W/m2ft流体温度，； A传热面积，m2； h对流换热系数 wt表面温度，； （1）牛顿冷却公式7.1 7.1 对对流换热的基本概念流换热的基本概念14:12:19Chapter 7 对流换热5（2）h对流换热系数对流换热系数 1）单位： /2mW2）物理意

3、义： 单位时间、通过单位面积、在单位温差下的对流换热量，表征流体对流换热作用。3）影响因素： 影响对流换热作用的因素如流体流动的起因、流动的性质、流体的物性、表面几何特性等。7.1 7.1 对对流换热的基本概念流换热的基本概念14:12:19Chapter 7 对流换热6,Lttcvfhfwp7.1 7.1 对流换热的基本概念对流换热的基本概念14:12:197Chapter 7 对流换热 流体流动产生的原因：强制对流与自然对流 流速：雷诺数，层流或湍流，边界层厚度 流体的物理性质：导热系数、比热容、密度、粘度 流体的相变：沸腾、凝结，换热规律发生了变化 换热面的几何因素：几何尺寸、形状、与流

4、体的相对位置 壁面温度、流体温度、热流传递方向等精确解法精确解法近似积分法近似积分法 相似理论相似理论-模型实验法模型实验法 类比法类比法 对流换热系数对流换热系数数值分析法数值分析法数数学学分分析析法法（3）研究方法）研究方法 7.1 7.1 对对流换热的基本概念流换热的基本概念14:12:20Chapter 7 对流换热8 7.1 7.1 对流换热的基本概念对流换热的基本概念14:12:209Chapter 7 对流换热l数学分析法数学分析法精确解法精确解法：F-K方程、N-S方程、连续性方程、边界给热微分方程联立求解。适用简单问题。近似积分法近似积分法：取控制体建立能量积分方程，求得温度

5、场的近似关系后，求解积分方程。适用简单问题。数值解法数值解法：采用数值方法求解能量平衡微分方程，以确定对流换热系数。l相似理论相似理论-模型实验法模型实验法是应用最广，最实用的方法。适用复杂的实际问题。l类比法类比法热量传输与动量传输的类似性。在一定程度上有效。3、热边界层及对流换热机理热边界层的定义定义：流体流过表面并与之发生对流换热时，靠近表面形成的具有温度梯度的流体薄层。7.1 7.1 对流换热的基本概念对流换热的基本概念14:12:20Chapter 7 对流换热10紊流层 对流过渡层 对流、导热层流底层 导热 7.1 7.1 对对流换热的基本概念流换热的基本概念14:12:2011C

6、hapter 7 对流换热对流换热简化模型对流换热简化模型流体与表面进行对流换热时，只存在温度均一、温度梯度为零的紊流核心区紊流核心区和集中全部热阻、温度线性分布的层流底层区层流底层区。紊流核心区与层流底层区假想温度分布线的交点至表面的停滞流体层，称为有效热边界层有效热边界层，其厚度以 表示。 tAttqwftAtthqwfth7.1 7.1 对流换热的基本概念对流换热的基本概念14:12:20Chapter 7 对流换热12对流换热系数计算式0yytqwftthqtytttythywfy00边界换热微分方程 对流换热系数计算式7.1 7.1 对流换热的基本概念对流换热的基本概念14:12:2

7、0Chapter 7 对流换热131、层流边界层对流换热微分方程组N-S方程 22yvyvvxvvxxyxxF-K方程 22ytaytvxtvyx连续性方程 0yvxvyx边界换热微分方程 tytttythywfy007.2 7.2 流过平板时的对流换热（流过平板时的对流换热（数学分析法数学分析法）14:12:20Chapter 7 对流换热1422yvyvvxvvxxyxx22ytaytvxtvyxaaPr普朗特数 将温度场与速度场联系起来 温度场与速度场完全一致7.2 7.2 流过平板时的对流换热（流过平板时的对流换热（数学分析法数学分析法）14:12:20Chapter 7 对流换热15

8、2、对流换热系数的近似积分解法一二三四通过边界层控制体的能量平衡，建立能量积分方程 利用边界层特性，假定温度场分布 求解能量积分方程 求对流换热系数 7.2 7.2 流过平板时的对流换热（流过平板时的对流换热（数学分析法数学分析法）14:12:20Chapter 7 对流换热16局部值局部值 2131RePr332. 0 xxNu 2132Re332. 0PrxxStxhNuxx努塞尔数 0vchPrReNuStpxxxx斯坦顿数 xvx0Re7.2 7.2 流过平板时的对流换热（流过平板时的对流换热（数学分析法数学分析法）14:12:20Chapter 7 对流换热17平均值平均值 2131

9、RePr664. 0LNu 2132Re664. 0PrLSthLNu 0PrRevchNuStpLLLvL0Re7.2 7.2 流过平板时的对流换热（流过平板时的对流换热（数学分析法数学分析法）14:12:20Chapter 7 对流换热18适用条件适用条件 1）Pr1气 体：Pr=0.61.0 近似适用 液体金属：Pr=0.0010.2 不适用 一般液体：Pr=150 适用 2）Re气体2）提高流速v，减小管径d， 流速效果管径效果3）为减小圆管当量直径，可将圆管改为椭圆管4）增加表面粗糙度 7.3.2 7.3.2 相似原理相似原理在对流换热中的应用在对流换热中的应用14:12:2138C

10、hapter 7 对流换热过渡流对流换热 7.3.2 7.3.2 相似原理相似原理在对流换热中的应用在对流换热中的应用14. 03231321Pr125Re116. 0wffffLdNuRe=2300104 层流对流换热 2300Re14. 031PrRe186. 0wffLdNu定性温度为tf ；10PrReLd例 11-4 P18714:12:2139Chapter 7 对流换热u流体横向流过单根圆管时的对流流体横向流过单根圆管时的对流换热换热局部换热系数有两个极小点：边界层由层流向紊流的转变点边界层由层流向紊流的转变点紊流边界层脱体点紊流边界层脱体点7.3.2 7.3.2 相似原理相似原

11、理在对流换热中的应用在对流换热中的应用14:12:2140Chapter 7 对流换热平均换热系数平均换热系数 7.3.2 7.3.2 相似原理相似原理在对流换热中的应用在对流换热中的应用31PrRenCNu 定性温度为tm定形尺寸为管外径 C、n取决于Re 查表11-2 P189 限制条件： 流体流动方向和管轴交角 090否则应乘以角度修正系数 14:12:2141Chapter 7 对流换热u流体横向流过管束时的对流换热(a)顺排(b)叉排7.3.2 7.3.2 相似原理相似原理在对流换热中的应用在对流换热中的应用14:12:2142Chapter 7 对流换热平均换热系数平均换热系数 3

12、1PrRenCNu 定性温度为tm定形尺寸为管外径 C、n取决于排列方式、 查表ds1ds2限制条件：限制条件： 管子排数z 10，否则应乘以管排修正系数 z7.3.2 7.3.2 相似原理相似原理在对流换热中的应用在对流换热中的应用14:12:2143Chapter 7 对流换热u流体绕流其它物体时的对流换热流体绕流其它物体时的对流换热流体流过单个圆球 流体流过均匀球体料块固定床 41523221)(Pr)Re06. 0Re4 . 0(2wfffffNu限制条件：限制条件： 3 . 07 . 0PrRe58. 0fffNu3.5Ref81040.7Prf380500Ref5104限制条件：限

13、制条件： 7.3.2 7.3.2 相似原理相似原理在对流换热中的应用在对流换热中的应用14:12:2144Chapter 7 对流换热自然对流换热经验公式：自然对流换热经验公式：nGrCNuPrC、n取决于流动性质、表面形状、表面朝向 表面温度为常数的自然对流换热 限制条件：限制条件： （2）自然）自然对流对流7.3.2 7.3.2 相似原理相似原理在对流换热中的应用在对流换热中的应用14:12:2145Chapter 7 对流换热7.3.2 7.3.2 相似原理相似原理在对流换热中的应用在对流换热中的应用14:12:2146Chapter 7 对流换热7.3.2 7.3.2 相似原理相似原理

14、在对流换热中的应用在对流换热中的应用14:12:2147Chapter 7 对流换热7.3.2 7.3.2 相似原理相似原理在对流换热中的应用在对流换热中的应用14:12:2148Chapter 7 对流换热7.3.2 7.3.2 相似原理相似原理在对流换热中的应用在对流换热中的应用14:12:2149Chapter 7 对流换热7.3.2 7.3.2 相似原理相似原理在对流换热中的应用在对流换热中的应用确定T, u, L查，等参数计算Re, Gr, Pr选用公式计算Nu计算h=Nu*L/计算Q=hAth、q计算流程图计算流程图14:12:2150Chapter 7 对流换热7.3.2 7.3

15、.2 相似原理相似原理在对流换热中的应用在对流换热中的应用WtAhQCmWLhNu4 .542)/(39. 3RePr664. 0PrRe664. 00212/13/13121层流：14:12:2151Chapter 7 对流换热例题例题7-1、一个大气压下20的空气以1.5m/s的速度流过100的平面炉墙表面（长2.0m，宽1.0m），若不计自然对流影响，试求通过炉墙对流传热损失。解：定性温度t=(tf+tw)/2=60,查资料得60的空气参数：=18.9710-6 /s，=2.9010-2 W/m. ,Pr=0.696.Re=uL/=1.581055105,层流对流7.3.2 7.3.2

16、相似原理相似原理在对流换热中的应用在对流换热中的应用)( ,101025. 5PrPr91232湍流LtgGr查找得：C=0.1，n=1/3，则14:12:2152Chapter 7 对流换热例题例题7-2、长12m，外径0.3m的垂直蒸汽管外表面温度为60，试求在20的空气中此管单位管长的散热量。解：定性温度t=(tf+tw)/2=40,查资料得40的空气参数：=16.9610-6 /s，=2.76 W/m. ,Pr=0.699。垂直圆柱管，定型尺寸为管长L=12m。14:12:21Chapter 7 对流换热53150.72W/m)A-t(:)./(0 . 41739Pr)( 1 . 0f231wthQmWHNuhGrNu故。，之内误差在得结果对比简化式与实验式所由表得也可用简化式计算%5).3.86W/(mt)1.1